高强度钢制异形件制坯工艺优化研究

王凌浩，单陇红，覃羡烘

高强度钢制异形件制坯工艺优化研究

王凌浩，单陇红，覃羡烘

（广东理工学院，广东肇庆526100）

利用有限元数值模拟软件Deform-3D，对锁闩的不同制胚方案进行模拟，对比分析模拟结果，优化方案。进一步对预锻模具进行应力分析，根据模具应力分析结果，进一步验证优化方案，以改善模具结构，提高模具寿命。结果表明：预锻模具应力集中主要分布在模腔台阶处和模具中间区域，当坯料角度α=60°时，能有效地减少预锻成形的单位应力，降低挤压力，提高模具寿命。

锁闩；制胚；有限元数值模拟；工艺优化；应力分析

锁闩是一款高强度、高硬度的异形冷锻件，由于其主要应用于高档轿车的门锁系统，具有高精度控制和高表面质量要求的特点，在成形过程中难度颇大，模具寿命受到极大考验。数值模拟方法是一种理想的研究手段，具有普遍性、快捷性和准确性，可以在计算机上虚拟实现成形过程并反复演示、计算和优化，借助一定的后处理技术来直观地表示出各场变量的分布状态，大大增强分析的灵活性和直观性，并且还可得到大量任一时刻的变形场量信息，对产品工艺设计和模具设计结构设计提供有价值的参考，这是其他方法所无法比拟的[1-4]。

制坯作为金属材料由原材料到预锻件关键成形工序[5]，不仅可以为工件的终锻成形工序作定位和成形的准备，也可以获得所需要的工件组织性能。制胚方式的不当，不仅增加成本、降低效率，而且影响随后的锻造成形。因此制胚工艺的好坏，在很大程度上将影响工件的后序成形。本文将运用有限元数值模拟技术（Deform-3D软件），优化生产工艺与模具结构，提高模具寿命。

1 初步制坯工艺及模拟

工件原材料为19MnB4，德国冷镦钢系列，具有高硬度、高强度、低塑性、低韧性的特点。工件三维造型如图1所示。

图1 锁闩三维图

在数值模拟之前，根据冷锻件的特点，初步制定成形工艺为：下料（制胚）→润滑→预锻（墩头）→切边→终端→切边→精整。根据图1，初步成形工艺采用下料制坯，坯料制成长方体，通过计算，设计出坯料为长×宽×高：34.40 mm×6.20 mm×11.9 mm.模拟预锻工序，模具结构与模拟结果如图2所示，考虑到对称性，取1/2.

图2 预锻模具结构及模拟结果

由图4模拟结果可知，其成形力将近20 t，最大单位压应力和拉应力分别为2 660 MPa和1 460 MPa，应力集中区域平均应力达到1 900 MPa，如此高的成形力及应力水平，将对模具寿命带来极大考验。

2 制胚工艺分析及优化

根据上文的分析及模拟结果，按照图3所示长方体坯料进行预锻，坯料左侧的金属将流动到右侧，金属流动不仅距离较大，而且只向右侧流动，流动方向单一，这就增加了成形力，降低模具寿命。

通过分析，将坯料设计成图3所示形状，高为h的坯料体积设计为满足预锻出工件头部所需的体积，这样就能减少金属流动距离，并且流动过程中受模具阻力将降低。

图3 优化后的坯料尺寸（单位：mm）

因为图中角度α可能对预锻产生很大影响，因此将图4中角度α设置为30°、45°、60°和75°分别进行模拟，并与图3中方案进行对比分析，找出最佳方案。

3 数值模拟及分析

对图4不同α角进行模拟，模拟结果如图4所示。

图4 不同α角度预锻数值模拟结果

根据图4模拟结果，预锻最大成形力依次为15.3 t、12.4 t、8.7 t、13.5 t；最大单位压应力和拉应力为：当α =30°时，为2 310 MPa和2 530 MPa；α=45°时，为2 240 MPa和1 530 MPa；α=60°时，为2 360 MPa和865 MPa；α=75°时，为2 270 MPa和4 070 MPa；工件拐角处容易出现应力集中，如图中所标示，应力集中区域单位应力依次为：1 580 MPa、1 560 MPa、1 560 MPa和1 780 MPa.

对比图3和图4模拟结果，优化方案整体好于原方案，综合分析，当α=60°时，效果最好，为最优方案。通过实际生产的验证，最优方案很大程度上提高了模具寿命，将模具寿命从原来的4 000多件提高到7 000多件。

4 优化后预锻模具的应力分析

对优化后的预锻模具进行应力分析，研究其应力分布特点及规律，为模具参数优化和结构优化提供参考，从而提高模具寿命。

运用Deform-3D对模具进行应力分析，需考虑容差值的设置，这在一定程度上将影响工件的成形载荷映射到模具的精度。石然然等[6-7]的研究表明，容差值的选择需参考最大和最小网格尺寸，这样得到的插值计算力可以趋于稳定且计算时间相对不长。因此，根据实际的网格划分结果，容差值设置为0.25.模拟结果如图5所示。

图5 预锻凹模应力分析结果

从图5可以看出，在成形过程中，应力主要集中在模腔内壁左侧中间部分和模腔台阶处。究其原因，在模腔没有充满时，金属流动较为自由，模具应力相对较小，随着锻压行程的增加，充填阻力逐渐增加，模具应力也在逐渐增大，当到达预锻终步时，模腔已充满，加载区域金属流动受限，阻力增大，模具中间区域应力达到最大。由于金属一开始流动机会受到模具台阶的阻力，随着变形的加大，这种阻力也会逐渐加大，最终导致应力在此处集中。因此，可以通过优化工艺方案避免预锻的大成形力和高应力集中，或者改变模具结构和选择合理的圆角，降低成形力，减轻应力集中。

5 结束语

（1）制坯方案优化后，能显著改善预锻成形，有效地降低成形力，减小应力集中，当坯料角度α =60°时，效果最好，能很大程度提高模具寿命。

（2）预锻模具应力分析结果不仅进一步验证制坯优化方案，而且通过分析研究预锻模具的应力分布规律，为产品工艺设计、制坯优化以及模具结构设计提供参考。

[1]赵宏敏，解延鹏.冷镦模具的冷挤压加工[J].模具工业，2001，244（6）：43-44.

[2]刘郁丽，杨合，詹梅.摩擦对叶片精锻预成形毛坯放置位置影响规律的研究[J].机械工程学报，2003，39（1）：97-100．

[3]王鹏.基于数值模拟的叶片精锻过程优化设计[D].西安：西北工业大学，2005．

[4]左旭，陈军，卫原，等.塑性成形三维数值模拟中的模具几何描述技术[J].锻压技术，1997，22（6）：59-61.

[5]王芳，齐广霞，曹娜.GH4169合金叶片制坯成形工艺数值模拟优化[J].锻压技术，2012，37（2）：148-153.

[6]石然然，李名尧，王波，等.基于DEFORM_3D的曲轴锻造模具应力分析[J].热加工工艺，2014，43（3）：121-123.

[7]Lapovk R.Improvement of die life by minimization of damage accumulation and optimization design[J].Journal of material Processing Technology，1998，80（81）：608-612.

Process Optimization of Billet Making of High Strength Steel Shaped Parts

WANG Ling-hao，SHAN Long-hong，QIN Xian-hong
（Guangdong Polytechnic College，Zhaoqing Guangdong 526100，China）

Using the finite element numerical simulation software Deform-3D to simulate the different schemes of embryo for the latches，compares and analysis of the simulation results，optimized scheme.Further to，the stress analysis was carried out on the preliminary composition to find the mold stress distribution and improve the mould structure and the die life.Results show that preliminary forging die with stress concentration is mainly distributed in the mold cavity steps and the middle of mold.when the blank angle α=60°，unit stress in the process of the forging can effectively reduce，the extrusion pressure will reduce and the die life will improve.

latches；blank making；finite element numerical simulation；process optimization；stress analysis

TG316.3

A

1672-545X（2017）07-0077-02

2017-04-02

机械电子工程专业人才培养模式创新实验区（CXSY2016002）

王凌浩（1988-），男，河南信阳人，硕士，助教，研究方向主要为精密成形；单陇红（1991-），女，广东肇庆人，硕士，助教，研究方向为机器视觉与数字图像处理。