发动机泵体精密热模锻成形工艺研究

郭巨寿，于霞，李爱平，孙晓飞，张宝荣，任晓峰

（北方通用动力集团有限公司，山西大同 037036）

泵体作为发动机上一个重要零件，目前多采用棒材整体切削生产，生产效率与材料利用率低，产品成本高，且坯料经切削加工后，金属纤维的连续性遭到破坏。随着对发动机要求越来越高，对泵体性能和加工效率均提出了更高的要求，迫切需要寻找新工艺改进坯料质量。精密模锻［1］是一种少无切削的工艺，具有提高材料利用率、部分取消或减少切削加工、合理的流线分布等优点，适合于较高承载要求的复杂零件成形［2—3］，如传动轴［4］、连杆［5］、齿轮［6—7］、其他异性锻件［8］等，因此精密模锻工艺是泵体锻件的首选成形方式。

泵体形状复杂，在热模锻过程中极易产生充填不满、折叠等缺陷，这些缺陷的产生与塑性变形时流动规律密切相关［9］。文中采用数值模拟手段分析预制坯在塑性变形时的流动规律，以便确定适当的成形工步和合理的坯料尺寸，实现锻造工艺的优化，使锻件顺利成形。

1 工艺分析与设计

泵体锻件三维造型初步设计如图1所示，其中双耳及方形区域形状复杂，要求不加工，而该区域在水平方向拥有最大截面积，因此分模面设置在这个最大水平截面的上方;为了便于脱模，在分模面上方坯料给了3°～5°的拔模斜度，最终的锻件设计如图2所示。

图1 泵体锻件三维造型Fig.1 3D model of pump forging

图2b部分尺寸精度为0.4 mm和0.5 mm，泵体锻件为精密级锻件，需采用摩压机或机械压机成形，根据车间设备情况，选用摩擦压力机。锻件总变形面积在垂直方向上的投影约为15 015 mm2，依据经验公式［10］，摩擦压力机吨位需求为924 t，故选用1000 t摩擦压力机。

图2 泵体锻件Fig.2 Drawing of pump forging

依据锻件几何特点，初步设计的终成形模具主体结构如图3所示，模具采用了“整体导向”方法，确保上下模错移小于0.5 mm，并通过上下模套将成形模固定在压机上。

图3 模具主体结构Fig.3 Principal structure of dies

下面根据模腔尺寸确定坯料尺寸。从图2中可以看出，按下模模腔尺寸，坯料外径最大为 φ47 mm，那么高度为240 mm，高径比超过了5.1，成形过程易失稳，所以采用直径为φ47 mm的坯料不合理。若按上模尺寸，坯料外径最大可为φ58 mm，考虑到晶粒异常长大等因素，需确保上模中坯料镦粗变形量达到15%以上［11］，依此数值，确定坯料直径为φ54 mm，等体积换算后，坯料长度为179.5 mm。如果将坯料拍方（尺寸约为（45～47）mm×（50～52）mm）后放置于凹模内，镦粗变形的坯料高度约为180 mm，高径比小于3.3，考虑到坯料外径与上模模腔尺寸（图2中的φ58 mm）接近，可避免镦粗失稳。按照上述分析，坯料先要拍方后放置于凹模内进行镦挤成形，因此泵体锻件制备流程为:下料→加热→预成形（拍方）→终锻→切边→其他后续处理。其中，由空气锤完成预成形工序，由摩擦压力机完成终锻工序。

2 有限元模拟分析

对塑性成形过程进行数值分析是锻造工艺设计的基础［12］，根据成形过程的塑性流动过程特点［13］和相应的速度场、温度场［14—15］等，初步优化和选择合理的模具及锻件预制坯几何形状。

2.1 有限元模拟模型

根据工艺流程，泵体成形有限元模型由2个部分组成，一是预成形，二是终成形。预成形主要是将坯料拍方，过程较为简单，因此文中主要研究终成形过程的场参数分布。泵体成形有限元模拟主要参数设置:坯料材料为40CrMnMo，开锻温度为1150℃，预成形和终成形模具温度为250℃，环境温度为20℃;坯料与环境之间热交换系数为2 W/（m2·K），成形时坯料与模具之间传热系数为8 kW/（m2·K）;摩擦压力机打击速度为0.8 m/s。

坯料需要拍方的长度初步定为100 mm，拍方后的坯料形状通过预成形模拟获得。终成形有限元模拟模型采用的模具、坯料几何形状如图4所示。

图4 终成形过程有限元模型Fig.4 FEM model of finial forging

2.2 模拟结果分析

2.2.1 坯料充型

图5是下行行程分别为10，40，80，75 mm 时坯料流动速度矢量图。变形开始时，坯料与模具有少量接触，坯料主要以自由镦粗变形为主，主要充填上模型腔，如图5a所示;随着上模继续下压，当行程为40 mm时，坯料自由变形区域仍以镦粗变形方式为主，同时坯料与上模接触面高度占据上模型腔高度的50%左右，如图5b所示;当行程达到65 mm时，坯料已经充填上模型腔（凸台除外），此时坯料充型方式由自由镦粗变形转为镦挤充填下模型腔，同时，拍方形成的压痕进入镦挤变形区域，如图5c所示的红色部分;当行程达到75 mm时，拍方压痕形成的折叠完全进入飞边槽内，坯料继续充填下模型腔，如图5d所示，此时坯料水平方向的流动速度达到了1500 mm/s。当上下模接近打靠时（完全打靠时行程为83 mm），飞边槽内坯料水平方向流动速度非常高，促使坯料在型腔内快速充型，如图5e所示。并且从整个模拟过程来看，需要拍方的坯料长度应该限制在90～100 mm，这样才能确保拍方压痕形成的折叠流入飞边槽内，该长度适合于生产现场空气锤制坯。

图5 典型行程下坯料的流动速度矢量图（mm/s）Fig.5 Flowing velocity vector diagram of typical strokes

2.2.2 等效塑性应变

图6是不同压下量下坯料的等效应变分布云图。在变形初期，等效应变最大值集中在坯料表面区域;随着压下量的增加，坯料由自由镦粗变形转为镦挤充型，流入飞边的坯料最大等效塑性应变达到了5.0，如图6b，c，d所示;对锻件沿着图1中的2个R11圆心联线的垂直剖面上的等效应变分布如图6e所示;从图6d，e中可以看出，锻件本体最小等效塑性应变为0.24，恰好避免了晶粒异常长大的问题，表明设计的坯料尺寸合理。

图6 典型行程下坯料的等效塑性应变Fig.6 Equivalent plastic strain diagram of typical strokes

2.2.3 温度场

图7 不同行程下坯料的温度分布Fig.7 Temperature distribution of typical strokes

图7是不同压下量下坯料温度场分布图。变形开始时，坯料上下表面最先与模具接触，随着接触压应力增加，坯料在接触区域表面温度急速下降，如图7a，b，c，d所示;随着变形量的增加，在坯料未接触表面温度迅速上升，最大温度达到了1200℃，如图7d所示;同时，随着压下量的增加，温度分布不均匀程度增加（如图7e所示（剖面位置同图6e）），由于靠近毛边锻件等效应变增加，变形热效应增加，导致坯料的最高温度集中在镦挤变形区附近，因此锻件上下端温度比镦挤变形区附近低250℃。

2.2.4 成形力及打击能量分析

图8和9分别给出了成形力、打击能量随上模行程的变化曲线。从图8和9可以看出，变形开始时，模具承受的载荷及耗费打击能量随模具压下量的增加而缓慢增加。因为变形初期，坯料处于自由镦粗阶段，坯料和模具的接触面积较小，所以变形力及所需的打击能量较小;当自由镦粗阶段转为镦挤充型阶段（即压下量达到65 mm时），导致坯料和模具间接触面积增大，并且坯料表面温度下降较大，如图7c所示，导致金属流动困难，模具承受的载荷迅速增加;当压下量达到75 mm时，坯料大量流入飞边槽，由于受到毛边槽的阻力作用，导致载荷和打击能量急剧增加;有限元模拟获得的最大载荷为1200 t，耗费的打击能约为55 kJ。从成形力及打击能量来看，选用1000 t螺旋压力机满足泵体成形需求。

图8 成形力-行程曲线Fig.8 Forming force-stroke curve

图9 打击能-行程曲线Fig.9 Blow energy-stroke curve

3 工艺试验

在工艺设计和模拟分析的基础上，开展了泵体精密模锻工艺试验，试验在1000 t螺旋压力机上进行，模具结构及工艺参数与文中一致。坯料采用工频感应加热，考虑到烧损率，模拟获得的坯料体积需增加1%。图10为试验获得的泵体锻件，锻件没有塌角、折叠等缺陷，非加工外表面的尺寸精度达到了图纸要求，试验结果与数值模拟结果一致。

图10 泵体成品锻件Fig.10 Forged part of pump body

4 结论

1）应用有限元技术分析坯料在变形过程中的速度矢量场，得出了坯料在自由镦粗、镦挤充型时的流动规律和变形机理。

2）分析了所设计坯料尺寸在终成形等效塑性应变分布，满足了预定要求，根据成形载荷曲线，优选了成形设备。

3）经试验验证，精密热模锻工艺获得的锻件非加工外形面尺寸精度达到了零件要求，数值模拟结果与实验结果一致。

［1］肖景容.精密模锻［M］.北京.机械工业出版社，1985.

XIAO Jing-rong.Precision Die-forging［M］.Beijing:China Machine Press，1985.

［2］BEHRENS B A，DOEGE E，REINSCH S，et al.Precision Forging Processes for High-duty Automotive Components［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，185:139-146.

［3］GRONOSTAJSKI Z，HAWRYLUKM.The Main Aspects of Precision Forging［J］.Archives of Civil and Mechanical Engineering，2008，8（2）:39—55.

［4］冀东生，夏巨谌，朱怀沈，等.汽车传动轴叉形件精密模锻工艺研究［J］.锻压技术，2010，35（6）:14—18.

JI Dong-sheng，XIA Ju-chen，ZHU Huai-shen，et al.Investigation of Precision Die Forging Process for Fork Parts Used in Automotive Propeller shaft［J］.Forging ＆Stamping Technology，2010，35（6）:14—18.

［5］詹辉.DK20连杆高能螺旋压力机精密模锻工艺［J］.锻压技术，2013，38（4）:1—5.

ZHAN Hui.Precision Die Forging Technology Using High Power Screw Press for DK20 Connecting Rod［J］.Forging＆ Stamping Technology，2013，38（4）:1—5.

［6］杨赛，于见华，王凤家，等.铝合金圆柱直齿齿轮精锻成形试验研究［J］.精密成形工程，2012，4（4）:23—21.

YANG Sai，YU Jian-hua，WANG Feng-jia，et al.The Research of the Forging Experiment of Aluminum Alloy Columned Straight Ring［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2012，4（4）:23—21.

［7］DOEGE E，NÄGELE H.FE Simulation of the Precision Forging Process of Bevel Gears［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，1994，43（1）:241—244.

［8］林军，李祖荣，陈强，等.具有非加工面的钢质锻件精密成形工艺分析及设计［J］.精密成形工程，2012，4（5）:1—6.

LIN Jun，LI Zu-rong，CHEN Qiang，et al.Analysis and Design of Precision Forging Process of Steel Forging Piece with Non-machined Surface［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2012，4（5）:1—6.

［9］MERKLEIN M，KOCH J，OPEL S，et al.Fundamental Investigations on the Material Flow at Combined Sheet and Bulk Metal Forming Processes［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2011，60（1）:283—286.

［10］吕炎.锻模设计手册（第2版）［M］.北京.机械工业出版社，2006.

LYU Yan.Forging Die Design Handbook（2th）［M］.Beijing:China Machine Press，2006.

［11］吕炎.锻件组织性能控制［M］.北京:国防工业出版社，1988.

LYU Yan.Control of Microstructure and Mechanical Properties of Forged Parts［J］.Beijing:National Defense Industry Press，1988.

［12］ALTAN Taylan，VAZQUEZ Victor.Numerical Process Simulation for Tool and Process Design in Bulk Metal Forming［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，1996，45（2）:599—615.

［13］ZHAN Mei，YANG He，LIU Yu-li.Deformation Characteristic of the Precision Forging of A Blade With A Damper Platform Using 3D FEM Analysis［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，150（3）:290—299.

［14］OSAKADA K，WANG X，HANAMI S.Precision Forging Process with Axially Driven Container［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，71（1）:105—112.

［15］POLITIS D J，LIN J，DEAN T A，et al.An Investigation into the Forging of Bi-Metal Gears［J］.Journal of Materials Processing Technology，2014，214（11）:2248—2260.