基于有限元法的轮毂成形工艺对比

张建新,周 敏,周玉峰

(1.南通福乐达汽车配件有限公司,江苏南通226300; 2.合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009)

基于有限元法的轮毂成形工艺对比

张建新1,周 敏1,周玉峰2

(1.南通福乐达汽车配件有限公司,江苏南通226300; 2.合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009)

目的 对比某型号轮毂成形的工艺方案。方法 对轮毂在不同条件下的成形过程进行了数值模拟和实验研究,分析成形工艺对应力分布、应变分布、金属流动速度场、成形载荷及内部组织的影响。结果 坯料在800℃下采用闭式模锻所需成形载荷小,模具结构较简单,内部组织为粒状珠光体,力学性能优于其他2种方案下的内部组织魏氏体。结论 闭塞式挤压和闭式模锻成形等效应力、等效应变、金属流动速度场、成形载荷及内部组织各不相同。模拟结果可以指导实际生产中工艺方案的选择。

有限元;闭式模锻;闭式挤压

采用以净成形或近净成形为目标的精密塑性成形技术,是21世纪制造技术的发展趋势[1]。近年来,以挤压和闭塞式模锻为核心的精密塑性成形技术在制造业的发展中发挥重要的作用,大量优质、高效、少无切削的成形技术得到发展[2—3]。

温锻成形是近年来在冷塑性成形基础上迅速发展起来的一种塑性成形新工艺。它的变形温度是在室温以上、再结晶温度以下的温度范围内。该工艺成形的零件精度高、质量好,且能成形形状复杂的零件[4]。相比热模锻,温锻成形件表面不会发生剧烈氧化作用,很少或没有氧化皮,尺寸公差小,可直接成形零件的工作表面,几乎完全省去机加工工序,且没有飞边,节省原材料,并且可以锻合金属内部缺陷,改善金属内部组织,使零件具有良好的力学性能,提高零件使用寿命[5—7]。

闭塞式挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术,多用于中小型锻件大批量生产中[2]。闭塞式挤压挤压材料利用率可达80%,大大节约材料、提高劳动生产率。并且在挤压后金属内部空隙及缺陷大大减少,提高零件力学性能此外,挤压工艺可加工复杂断面零件并获得较好的表面粗糙度和尺寸精度。是一种先进的少无切削的塑性加工工艺[8]。

文中所研究的轮毂,是汽车空调离合器上的零件,目前多采用温锻与挤压两种工艺生产。文中通过对温锻和冷挤压两种成形过程进行数值模拟,对比两种不同工艺下的成形载荷、应变分布、金属流动速度场及内部组织,综合分析两种工艺的优劣,找出最佳工艺方案。本次结果对该轮毂成形工艺方案的选择具有参考价值。

1 工艺方案确定

1.1 零件分析

轮毂材料为20Cr,零件图如图1所示。底部为圆盘状,四周分布7个不同直径的小孔,中间为空心凸台,底盘外径为87 mm,中间凸台部分外径为38 mm,内径为21 mm。

图1 零件示意图Fig.1 Part diagram of wheel

1.2 轮毂成形过程

该轮毂以棒料为毛坯,经制坯工艺后冲孔成形。制坯采用2种不同方案成形,分别为400℃闭塞式挤压、400℃闭式模锻。2种方案的几何模型如图2所示。温挤压时,上冲头下行,金属由中心向四周流动,充满型腔后完成成形。温锻时坯料中心金属反挤完成凸台部分的充型,四周金属在冲头作用下被镦粗完成底盘部分的成形。

图2 模具坯料几何模型Fig.2 Geometric model of blank

2 有限元模拟

运用DEFORM-3D有限元软件,采用刚塑性本构模型,对轮毂成形过程进行仿真模拟。定义坯料为塑性体,坯料材料 20Cr,模具为刚性体,网格总数50 000。成形参数为:温度为400℃,冲头速度为20 mm/s,摩擦因数为0.2,闭塞式挤压的坯料尺寸为φ20 mm×36 mm,闭式模锻的坯料尺寸为φ30 mm×24 mm。

3 模拟结果及分析

3.1 等效应力分析

图3、图4分别为闭塞式挤压和闭式模锻成形过程的等效应力分布云图。由图3和4可知:两者存在显著差异,闭塞式挤压时,最大应力集中在零件底部凸台部分;闭式模锻最大应力则集中在底部圆盘部分。

闭塞式挤压在成形前期时是靠冲头挤压坯料凸台部分完成圆盘部分成形,在充填底部圆盘部分时凸台部分在冲头作用下仅仅发生刚性平移,而在底部受到较大应力由中心向四周流动,因此底部圆盘应力大于凸台部分应力,在成形末期充填死角时,凸台部分流动阻力变大,应力大于底部圆盘部分应力。应力呈轴向旋转堆成分布,且越靠近中心部分,等效应力越大。

闭式模锻在成形时靠上模给坯料施加压力完成成形,受力区域则集中于与上模接触的部分,由于坯料四周在模具施加的载荷下开始沿径向流动充型,中心金属并未受到来自模具的载荷,仅仅发生刚性平移,因此中心部分应力小于与模具接触部分。应力呈轴向旋转堆成分布,且越靠近中心部分,等效应力越小。

图3 闭塞式挤压等效应力分布Fig.3 Equivalent stress distribution during closed extrusion

图4 闭式模锻等效应力分布Fig.4 Stress distribution during closed die forging

3.2 等效应变场分析

图5、图6分别为闭塞式挤压、闭式模锻成形过程等效应变分布云图。由图5、图6可知:闭塞式挤压应变集中在零件底部,而闭式模锻应变则集中在零件底部圆盘部分。二者应力分布存在较大差异。

图5 闭塞式挤压等效应变分布Fig.5 Equivalent strain distribution during closed extrusion

图6 闭式模锻等效应变分布Fig.6 Equivalent strain distribution during closed die forging

在闭塞式挤压过程中,坯料在冲头的作用下由中心向四周流动开始充型,因此在成形过程中零件凸台部分仅仅发生刚性平移,并未参与变形,而零件底部圆盘部分在成形过程中发生较大变形。成形完成时应变场呈中心对称分布,越靠近下方,应变越大。

在闭式模锻的成形过程中,坯料在上模的压力下充填型腔,坯料四周金属在上模的作用力下向四周流动,发生应变,中心部分则仅仅发生刚性平移,应变接近于0。成形完成时闭式模锻的应变场沿轴向呈旋转对称分布,越靠近对称轴,应变越小。

图7 闭塞式挤压速度场Fig.7 Velocity field of closed extrusion

图8 闭式模锻速度场Fig.8 Velocity field of closed die forging

3.3 金属流动场分析

图7、图8分别为闭塞式挤压、闭式模锻的断面金属流动速度场。由图7、图8可知,二者的速度场分布存在明显差异。

在闭塞式挤压过程中,零件在冲头的压力下开始由中心向底部铺展开来充型底部圆盘部分,而在成形末期充填死角过程中,底部边缘金属开始出现回流充填死角,坯料与冲头接触的部分也开始向上流动产生飞边,整个过程坯料中部始终未出现明显的分流面。并且坯料内部金属流动速度大于金属外部流动速度。

闭式模锻在成形开始后,金属在上模的压力下开始充型,坯料四周金属向四周流动,中间部分则并未发生相对流动,仅仅在相邻金属作用下产生刚性平移,在成形末期凸台与上模接触部分则向下流动完成底部圆盘部分死角的充填,在金属断面上可以看到明显的分流面。并且坯料内部金属流动速度小于坯料外部金属流动速度。

3.4 成形载荷分析

图9为闭塞式挤压和闭式模锻两种工艺的成形载荷曲线,由图可知二者曲线走势有明显不同。闭塞式挤压件成形过程中在A时刻以前载荷上升较快,此过程中坯料在型腔中处于两向受压状态,载荷急剧增大;AB阶段金属由中心向四周流动,充满型腔,此时坯料四周处于单向应力状态载荷基本不变;BC阶段坯料开始接触到模具四周侧壁,开始出现回流,充填死角,受力面积增大,载荷增加明显。

闭式模锻件在B'时刻以前载荷上升较慢,此过程中模具凸台部分尚未开始成形,坯料处于局部加载状态,坯料四周被墩粗开始向四周流动充型底部圆盘部分。B'C'阶段坯料载荷上升较快,此过程中坯料上端开始与上模接触,完成凸台部分成形,此时坯料与模具接触面积急剧增大,载荷上升很快。

图9 成形过程时间-载荷曲线Fig.9 Time-load curve of forming

3.5 工艺改进

轮毂的主要工作面为底部圆盘部分,在成形过程中圆盘部分发生的应变越大,越有利于延长零件使用寿命,并且成形载荷越小,成本越低[9]。由应变场及成形载荷分析知闭塞式挤压优于闭式模锻。但在生产中闭塞式挤压需要单独设计锁模结构来保证成形的顺利进行,在普通单动液压机上难以实现。而闭式模锻模具结构较为简单,容易实现,成本较低[10],因此采用闭式模锻更合适,在实际生产中可适当提高闭式模锻的成形温度来降低成形载荷[11]。

图10为闭式模锻件的成形时间-载荷曲线,此时800℃下成形载荷相比温锻件载荷明显减少,轮毂可采用此种工艺生产。

图10 闭式模锻成形过程时间-载荷曲线Fig.10 Time-load curve of closed die forging process

4 试验

分别生产出形状符合要求的工件后,将400℃与800℃下成形的两个闭式模锻件从中轴线切开,磨平抛光后酸腐蚀。在金相显微镜下即可观察到零件内部组织。

图11为挤压件与温锻件金属内部组织金相图。图11a为400℃闭式模锻件的内部组织金相照片,由于该零件在400℃下成形,因此内部组织仍保留坯料原始组织,可以看出金属基体被片状晶粒切割,主要是渗碳体魏氏组织。魏氏组织是钢的一种缺陷组织,它会使钢的力学性能,特别是冲击韧性和塑性显著降低,并提高钢的脆性转折温度,因而使钢容易发生脆性断裂,降低零件使用寿命[12—15]。图11b为800℃闭式模锻件内部组织,该零件在800℃下采用闭式模锻成形,在成形过程中发生动态再结晶,图中断面上的粒状渗碳体均匀分布在铁素体基体上,形成粒状珠光体组织,具有较高的屈服强度和抗拉强度,强韧性较好,可以有效提高零件的机械性能及使用寿命[5]。

图11 零件内部组织Fig.11 Internal organization of parts

5 结论

1)轮毂在闭塞式挤压和闭式模锻两种工艺下成形应力应变、速度场分布各不相同。

2)轮毂采用800℃下闭式模锻成形方案成形所需载荷不大,模具结构较为简单。

3)轮毂采用800℃下闭式模锻成形方案所得轮毂组织明显优于其他两种成形方案所得到的轮毂组织,采用该方案成形更有利于提高零件机械性能。

[1]李贝贝,严军,刘雨生,等.曲轴轮毂中间齿精压成形工艺研究[J].精密成形工程,2014,6(3):10—14. LIBei-bei,YAN Jun,LIU Yu-sheng,etal.Precision Coining Process of Crankshaft Hub Tooth[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2014,6(3):10—14.

[2]刘芳,林忠钦,单德彬,等.2A70铝合金转子等温闭塞式温锻工艺研究[J].机械工程学报,2005,41(9):161—165. LIU Fang,LIN Zhong-qin,SHAN De-bin,et al.Research on the Isothermal Enclosed Die Forging of the 2A70 Aluminum Rotor[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2005,41(9):161—165.

[3]胡成亮,刘全坤,刘永熙,等.齿轮锻造金属流动规律分析及工艺改进[J].机械工程学报,2008,44(5):186—189. HU Cheng-liang,LIU Quan-kun,LIU Yong-xi,et al.Analysis of Matal Flow and Technology Improvement on Gear Forging[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008,44(5):186—189.

[4]乔硕,刘国凯,周结魁,等.行星齿轮冷闭塞式温锻工艺数值模拟和试验研究[J].精密成形工程,2012,4(6): 5—8. QIAO Shuo,LIU Guo-kai,ZHOU Jie-kui,etal.The Numerical Simulation and Experimental Study of Clod Closed Die Forging Process of Planetary Gear[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2012,4(6):5—8.

[5]崔荣荣.汽车转向节温锻工艺及有限元模拟研究[D].济南:山东大学,2008. CUIRong-rong.Research on Finite Element Simulation of Steering Kunckle Forging Process[D].Jinan:Shandong U-niversity,2008.

[6]赵颖.铝管连续挤压金属流动的数值模拟研究[D].大连:大连交通大学,2006. ZHAO Ying.Numercial Simulation Study on the Metal Flow of Continuous Extrusion for Aluminum Tubes[D].Dalian: Dalian Jiaotong University,2006.

[7]BONTCHEVA N.PETZOV G.Microstructure Evolution during Metal Forming Process[J].Computational Materials Science,2003(28):563—573.

[8]DOEGE E,BOHNSACK R.Closed Die Technologies for Hot Forging[J].Journal of Materials Processing Technology, 2000,98:165—170.

[9]宁玲艳,张治民.履带板挤压成形加载速度对金属流动规律影响的研究[J].热加工工艺,2011,40(5):90—93. NING Ling-yan,ZHANG Zhi-min.Effect of Loading Speed in Extrusion Forming on Metal Flow Rule[J].HotWorking Technology,2011,40(5):90—93.

[10]王忠雷,赵国群.精密锻造技术的研究现状及发展趋势[J].精密成形工程,2009,1(1):32—38,83. WANG Zhong-lei,ZHAO Guo-qun.Recent Condition and Developing Trends of Precise Forging Technology[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2009,1(1):32—38, 83.

[11]郑伟刚,陈大,陆海东.直齿轮的精密挤压成形工艺研究[J].贵州工业大学学报,2005,34(3):36—38. ZHENGWei-gang,CHEN Da,LU Hai-dong.Study of Precision Extrusion's Technology for Spur Gear[J].Journal of Guizhou University of Technology,2005,34(3):36—38.

[12]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. JIDong-sheng,XIA Ju-chen,ZHUHuai-she.Investigation of Precision Die Forging Process for Fork Parts Used in Automotive Propeller Shaft[J].Forming and Stamping Technology,2010,35(6):14—18.

[13]陈志仁.曲轴温锻过程金属流动与微观组织演化规律的数值模拟研究[D].济南:山东大学,2013. CHEN Zhi-ren.Study on Numerical Simulation of Metal Flow and Microstructure Evolution of a Crankshaft Forging Process[D].Jinan:Shandong University,2013.

[14]李峰.盘类件模锻过程金属变形模式及流动规律研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007. LIFeng.Deformation Modes and Flow Behavior of Metal in Die Forging Process of Disk Components[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2007.

[15]YOSHIMURA H,TANKA K.Precision of Aluminum and Steel[J].Journal of Materials Processing Technology, 2000,98:196—204.

Com parison of Hub Form ing Process Based on the Finite Element Method

ZHANG Jian-xin1,ZHOU Min1,ZHOU Yu-feng2
(1.Nantong Fuleda Vehicle Accessory Component Co.Ltd.,Nangtong 226300,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China)

This experiment compared processing plans for forming of a certain type of hub.The numerical simulation and the experimental research of the forming process of hub were conducted under different conditions to analyze the influence of the forming process on stress distribution,strain distribution,metal flow velocity,forming load and internal organization.The results showed that the forming load for workpieces at 800℃ by closed die forging was low,and under this condition,the internal organization was granular pearlite,themould structure was simple and themechanical properties of the internal organization were better than those of the widmanstatten under the conditions in the other two processing plans. In conclusion,the closed die extrusion and the closed die forging have differences in the equivalent stress,the equivalent strain,themetal flow velocity and the internal organization.The simulation result is instructive for the choice of the actual production process.

finite element;closed die forging;closed extrusion

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.009

TG302

:A

:1674-6457(2015)04-0042-06

2015-05-26

张建新(1963—),男,江苏南通人,主要研究方向为旋压成形。