突缘叉热模锻工艺及模具结构优化数值模拟

文/朱越，孙礼宾·上海交大中京锻压有限公司

近些年汽车工业的飞速发展，带动了锻造行业的快速发展，全球每年生产的锻件中有将近70%是汽车模锻件。热模锻一般是指将金属坯料加热到再结晶温度以上，利用模具向金属坯料施加压力产生塑性变形，从而获得合格锻件的精密锻造方法。图1是某型号汽车突缘叉零件的毛坯件，锻件上设计有许多装配、运动轨迹所需结构，内档部分不加工且允许变形量较小，锻件的落差大，特别是异型分模，对分模线和切边后的残余毛刺要求高，锻件的材料为40Cr。在锻件的开发过程中使用DEFORM软件对其成形过程进行仿真模拟，并根据模拟的结果优化模具结构，制定合理的生产工艺。

图1 某型号汽车突缘叉毛坯

突缘叉热模锻工艺设计

该锻件的总高为81.5mm，厚度最薄处为12.5 mm，锻件净重为2.13kg，投影面积为146cm2。采用的工艺是：下料→中频加热炉加热→镦粗→预锻→终锻→切边→冷却→正火→抛丸。毛坯直径为φ60mm，锻造设备为2500t热模锻压力机。设计预锻飞边厚度为4mm，终锻桥部飞边厚度为3mm。

数值模拟过程

在实际生产中锻造的过程十分复杂，一个合理的锻造工艺往往需要考虑很多方面，而其中最重要的则是预锻的设计，若预锻成形的坯料几何形状和尺寸不能满足后续工步对材料分配的需求，则会在锻造的后续过程中产生折叠或充不足的缺陷。合理运用数值模拟技术则能大幅度地提高产品一次试制的成功率，缩短开发的周期，降低生产成本。

数值模拟参数的设置

将造型导入DEFORM软件中，毛坯的属性设置为Plastic（塑性体），材料选择AISI-5140[1450～2200℉(800～1200℃）]，初始加热温度设为1180℃，网格划分类型为Absolute（绝对的），Min Element Size（最小单元尺寸）设置为2，Size Ratio（尺寸比）设置为2，并将所有面设置为热交换面；模具属性设为Rigid（刚体），上模在Z轴上的运动速度设为500mm/s，最小单元尺寸设置为2，摩擦系数0.3，传热系数11N/s/mm/℃。采用Archard磨损模型计算模具的磨损量，其表达式为ω=∫KPavb/Hc。式中ω为磨损深度，P为模具表面正压力，v为运动速度，a、b取1，c取2，K=2×10-6，H为模具的硬度，H=48HRC。图2、图3分别是预锻工序和终锻工序中坯料摆放的示意图。

图2 预锻工序示意图

图3 终锻工序示意图

图4 “一”形开式结构的模具上模示意图

图5 模具上模示意图

预锻模具的设计方案及演变和改善

设计预锻模过程是不断优化的过程，当初开始是设计成“一”形开式结构的模具，如图4所示。后来设计演变成图5所示的模具上模示意图，图5(a）是预锻模具的形式，为加强预锻上模根部的强度所以采用了“X”形模具开式结构，在造型软件中用锻件的最大外轮廓曲线试切边，该种模具结构生产的锻件比“一”形开式结构的模具好，错移和模具寿命有所提高，但是残留毛刺也很大，还需要打磨的工序，不仅增加了成本，而且延长了产品的交货期。

改善后使用“一”形模具框式结构，如图5(b）所示，该种模具结构生产的锻件切边后残留飞边小、切边带质量好、锻件错移小，提高模具寿命。图6为两种模具形式锻件切边后产生的毛刺对比，图6(a）中红圈圈住的是突缘叉侧面的残留飞边、毛刺，图6(b）中则几乎无飞边、毛刺的残留。但是“一”形结构的模具寿命低，上模根部容易发生断裂，在采用了框式结构后可以大幅度增加上模的强度，提高模具的使用寿命。

图6 两种模具形式锻件切边后产生的毛刺对比

数值模拟结果的分析

图7是该产品数值模拟的结果，预锻过程中金属流动合理，预锻到终锻的金属流动均匀，坯料在该始锻温度下充型良好，符合设计尺寸，无缺陷产生；从该产品的等效应力分布云图上可以看到，应力分布均匀，飞边处的应力较大，无明显的应力集中现象，最大的等效应力约为363MPa。该产品的载荷-行程曲线如图8所示，预锻变形量大，因此吨位大，约为2150t；终锻的吨位为1880t。

该产品在实际生产中终锻上模根部经常开裂，寿命不足700件。经过再次模拟分析终锻上模的受力状态，终锻上模根部存在严重的应力集中现象，最大的等效应力达到3670MPa，如图9所示。需要对预锻模此处进行修改，以改善模具应力集中的情况，提高模具的使用寿命。

图7 终锻等效应力分布云图

图8 载荷-行程曲线

预锻模具的改善与验证

预锻模具改善

造成终锻上模根部应力集中的主要原因为：预锻到终锻的变形量大；预锻多余的料从桥部之间溢出，因此根部受到强大的扭矩。

根据以上两点降低预锻上模型腔的深度以减少变形量；增大根部方向上模块的厚度以减小扭矩的影响。经过改善后终锻载荷-行程曲线如图10所示，终锻的最大吨位约为1440t，与改善前相比明显降低了成形力。进一步分析终锻上模的等效应力分布云图可知，最大的等效应力为3190MPa，根部的应力集中现象仍然存在，模具出现裂纹的情况依旧会出现，但已经获得可观的改善，如图11所示。

改善后的验证

在不断优化设计预锻模的过程中，从“一”形开式结构的模具，向“X”形开式结构的模具转化，逐步演变成为“一”形框式结构的模具，根据改善的方案进行生产验证，产品各处充填良好，尺寸符合图纸要求，模具的寿命提高了一倍。模具失效时仍然是终锻上模根部开裂，这进一步说明数值模拟的结果是可靠的。

图9 终锻上模等效应力分布云图

图10 改善后载荷-行程曲线

图11 改善后终锻上模等效应力分布云图

结论

(1)本文提出的“一”形框式结构的模具比“X”形开式结构的模具合理，模具寿命提高，锻件错移也符合产品要求，切边后锻件残余毛刺基本不用打磨。

(2)本文提出的“X”形开式结构的模具比“一”形开式结构的模具合理，模具寿命有所提高，锻件错移也符合产品要求，切边后锻件残余毛刺还需要打磨。

(3)本文提出的通过调整预锻模型腔深度，以减少变形量来改善终锻载荷-行程曲线，明显降低了终锻成形力，提高了终锻模的模具寿命。

(4)落差大的突缘叉类产品可以通过增加根部方向的模块厚度、减少预锻到终锻的变形量来提高模具寿命。

(5)数值模拟的结果是可靠的，可以为实际生产提供理论依据。