摘要：滑动叉传统上采用开式模锻工艺生产，飞边大，材料浪费严重且尺寸精度差。为了降低锻件成本，本文针对滑动叉的形状特征，提出一种少无飞边模锻的新工艺，使预制毛坯在封闭的模膛内成形，实现锻件近净成形。根据体积不变原则对计算毛坯进行处理得到预制毛坯。本文应用DEFORM 3D软件模拟研究了滑动叉无飞边和小飞边锻造工艺过程，模拟验证结果表明，新工艺显著地提高了材料利用率和成形质量，降低了锻造载荷。
关键词：滑动叉 闭式无飞边锻造 有限元模拟
1 前言
汽车工业的发展对高品质、低成本锻件的需求不断上升。转向万向节滑动叉（如图1所示）是一个重要的汽车零件，其形状复杂，尺寸精度和形位公差要求高，锻造工艺性差。目前，国内各主要锻造厂主要采用开式模锻工艺进行生产，锻件成形质量差，材料利用率低 [1]。工厂迫切需要一种新的加工工艺，以提高成形质量，减少材料浪费，降低成本。
图1 滑动叉锻件
无飞边锻造工艺是一种先进的锻造工艺，通常用于高品质锻件的生产。如图2所示，与有飞边锻造工艺相比，无飞边锻造工艺中锻件在封闭的模腔内成形，不产生飞边，节省材料，成形精度高，可实现锻件的近净成形或净成形［2］。
如图1所示的滑动叉形状复杂，而且叉杆部截面呈圆形，传统的整体闭式模锻工艺难以实现无飞边锻造。本文在研究传统无飞边锻造工艺[3,4]和挤压工艺[5]的基础上，开发了滑动叉无飞边闭式模锻新工艺，以满足滑动叉的无飞边锻造的要求。
图2 开式与无飞边闭式模锻工艺对比
Fig.2: Compare between open-die forging with flash and closed-die forging without flash
2 无飞边锻模结构设计
针对滑动叉的形状特征，本文设计了一套全新结构的锻模，以满足无飞边锻造的要求。模具由上、下模和冲头三大部分组成，如图3所示。上冲头安装在压力机的滑块上，下冲头固定在底座上。
图3 锻模结构
Fig.3: Structrue of the Dies
图4所示为锻造过程中模具动作顺序，具体动作如下：
i）毛坯1放入下模4的模膛内。
ii）滑块下行，上、下油缸活塞联动，使上模3和下模4相接触，对上下模施加合模力，形成封闭模腔，夹紧预压毛坯1。
iii）滑块继续下行，上、下油缸压力不变，叉部毛坯的金属在上下冲头的作用下发生墩粗挤压变形，直至充满模膛。模具由上、下模和冲头三大部分组成，如图3所示。
图4 模具动作顺序
Fig.4: Tooling movement sequence
3 无飞边锻造过程的有限元分析
3.1 预制毛坯设计
滑动叉大规模生产时，通常采用楔横扎工艺生产预制毛坯。根据体积不变原则，在滑动叉计算毛坯基础上，依据楔横扎模具设计经验，设计得到滑动叉的预制毛坯。图5所示为滑动叉预制毛坯叉部设计。图6所示为在预制毛坯的几何参数。
图5 预制毛坯
Fig 5. Preform
图6 预制毛坯的几何参数
Fig.6: Sketch of perform
3.2 滑动叉成型工艺模拟分析
根据滑动叉的形状和成形的对称特性，选择滑动叉的1/4模型进行模拟分析，1/4有限元模型如图7所示。预制毛坯A处较高（如图5所示），上下模合模时将被夹紧。夹紧分析输入参数如表1所示。表1夹紧工步输入参数
 
图7 FE分析模型
Fig7: FE Simulation model
图8所示为夹紧后毛坯的等效应变分布图，预制毛坯仅在A处出现很小的变形。图9所为夹紧过程的载荷－行程曲线。由图9可知，夹紧整个预制毛坯大约需要160,000N力。
图8 夹紧工步等效应变分布
Fig.8: Effective Strain Distribution of holding process
图9 夹紧工步载荷行程曲线
Fig.9: Punch force curve of holding process
图10所示为在理想状态下（精密下料、预制毛坯尺寸精确）毛坯变形过程中不同时刻的金属流动状态。
图10 滑动叉锻造过程中金属流动状况
Fig.10: Material flow in forging of a slide fork
由模拟结果可知，在冲头作用下，预制毛坯的叉部首先被镦粗，金属迅速向模膛两侧流动直至接触模膛侧壁，然后随着冲头继续下压，金属向流动阻力最小的叉部凸台部分的模膛流动，冲头下面的金属沿模膛侧壁向上流动直至成形完毕。在整个成形过程中，毛坯的变形速度场分布均匀，未出现紊乱，因此整个成形过程不会存在折叠缺陷且成形完全。如图12所示，在冲头下压的过程中，锻件叉部的应变主要集中在叉部及叉口连皮，而在与杆部相连的部位应变很小。
| 
您的位置：技术工种之机修知识网
→ 模具制造知识
→ 正文
本文章所属分类：首页
→ 模具制造知识