車橋橋殼鍛造成形過程的數(shù)值模擬分析

武文一，李菊麗，王曉溪

(徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221018)

車橋橋殼是驅(qū)動橋上重要的傳力零件，其質(zhì)量直接影響工程機(jī)械的整體性能及使用壽命。采用精鍛成形技術(shù)“以鍛代鑄”制造該類零件，不僅節(jié)約材料、能源，減少切削加工工序，降低生產(chǎn)成本，而且能使金屬流線連續(xù)分布,晶粒細(xì)化，顯著提高鍛件性能和使用壽命。由于鍛件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜以及在塑性成形過程中受多種因素影響，使得成形質(zhì)量與工藝條件之間的關(guān)系往往難以預(yù)測與控制。隨著計算機(jī)技術(shù)和塑性有限元理論的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬在分析金屬塑性成形中的作用逐漸受到重視[1-6]。本文基于DEFORM-3D軟件采用三維剛塑性有限元模擬法對車橋橋殼的鍛造過程進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真,分析了鍛件坯料的選擇、成形過程中的填充情況及等效應(yīng)力、應(yīng)變分布，研究了鍛件形狀對金屬材料流動規(guī)律的影響，對于優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)及鍛造工藝具有指導(dǎo)意義。

1 產(chǎn)品分析及三維模型建立

車橋橋殼鍛件結(jié)構(gòu)為帶孔圓盤類，如圖1所示，外形最大尺寸為φ331mm×186.6mm，高徑比為0.564，下部凹槽中沿徑向放射狀均布4個厚度為14mm的肋板，中心部位存在較深的孔。為了便于模鍛時的拔模，拔模斜度為3～5°，過渡圓角為R3。所用材料為45鋼，表面粗糙度要求為Ra3.2，尺寸精度要求為普通級。鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)(鍛件質(zhì)量與外廓包容體質(zhì)量之比)為0.245，屬較復(fù)雜級，鍛造成形難度較大，擬采用熱模鍛成形、溫鍛整形工藝，以確保深擠充滿，且載荷不至于過大。

圖1 橋殼鍛件圖

利用SolidWorks軟件分別建立上、下模具及鍛件坯料的三維模型，按照它們在鍛造過程中的同軸關(guān)系定位組裝成裝配體文件，并將此文件轉(zhuǎn)換為STL格式，在轉(zhuǎn)換過程中生成3個子文件，分別對應(yīng)上模、下模和坯料, 如圖2所示。

圖2 模具與坯料的初始位置

2 數(shù)值模擬初始條件的設(shè)置

將坯料和上、下模的STL文件導(dǎo)入DEFORM-3D 軟件中，以實際加工參數(shù)為依據(jù)設(shè)置模擬初始條件。采用剛塑性有限元模型，工件視為塑性體，上模、下模視為剛性體。工件材料為45鋼，對應(yīng)美國牌號AISI-1045，始鍛溫度設(shè)定為1 100℃; 模具材料為4Cr5MoSiV1，對應(yīng)美國牌號AISI-H13，預(yù)熱溫度為300℃；坯料與模具間為剪應(yīng)力摩擦，摩擦系數(shù)為0.3；設(shè)備為熱模鍛壓力機(jī), 上模運(yùn)動速率為50 mm/s。鍛件具有軸對稱性，選取形體的1/4作為研究對象(設(shè)置變形邊界條件)以節(jié)省計算時間[1-6]。采用四面體單元，劃分網(wǎng)格數(shù)為30 000和60 000進(jìn)行對比試驗，對應(yīng)的模擬步長為0.8和0.5，計算模擬步數(shù)，設(shè)置體積補(bǔ)償。各條件設(shè)置合適后生成數(shù)據(jù)庫文件，提交給運(yùn)算器分析求解, 完成鍛造成形過程模擬。

3 坯料尺寸、形狀對成形性的影響

坯料尺寸和形狀的合理選擇對于保證鍛件質(zhì)量、避免設(shè)備過載和延長模具壽命是十分重要的。根據(jù)金屬塑性變形前后體積不變的原理，若采用小或無飛邊熱模鍛時坯料體積應(yīng)略大于鍛件體積，既要保證鍛件充形良好又要避免產(chǎn)生過多的飛邊。本文采用數(shù)值模擬法對不同體積和高徑比的坯料鍛造成形過程進(jìn)行研究，以尋求精確的坯料體積和合理的高徑比[5]。

鍛件經(jīng)三維建模后可知體積為3 927 048mm3，數(shù)值模擬時未考慮燒損量(采用少無氧化加熱方法)，取寬裕系數(shù)k分別為0.02和0.04，相應(yīng)的坯料體積為V1=4 005 589mm3、V2=4 084 130mm3，坯料規(guī)格對應(yīng)為φ140mm×260mm和φ150mm×231mm，分別進(jìn)行模擬試驗。圖3(a)是坯料體積為V1、網(wǎng)格數(shù)為30 000的模擬結(jié)果，由圖可以看出工件在凸緣底部和棱角處沒有充滿，且邊緣處不光滑，有折疊現(xiàn)象。圖3(b)是坯料體積為V1、網(wǎng)格數(shù)為60 000的情況，由圖可以看出工件在棱角處仍沒有充滿，但形狀較光滑。圖3(c)是坯料體積為V2、網(wǎng)格數(shù)為60 000的結(jié)果，由圖可以看出工件填充情況良好，外形輪廓清晰，在分型面處有少量飛邊，這是可以接受的。

圖3 不同坯料尺寸和網(wǎng)格數(shù)的模擬結(jié)果

由分析可知，對于形狀復(fù)雜的鍛件，網(wǎng)格數(shù)量較少時邊界網(wǎng)格質(zhì)量差，計算精度低；適當(dāng)增加網(wǎng)格數(shù)量可提高計算精度，但計算時間延長；若采用分區(qū)網(wǎng)格劃分較為合理，在變形大的區(qū)域劃分較多網(wǎng)格，在變形小的區(qū)域劃分較少網(wǎng)格，這樣既可保持計算精度又不增加計算時間。坯料體積V1是大于工件體積的，從理論上來說應(yīng)該會產(chǎn)生少量飛邊，但模擬結(jié)果卻出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象，這是因為初始網(wǎng)格數(shù)量較少時坯料與模型表面不太吻合以及在變形過程中網(wǎng)格畸變和折疊而造成了體積損失，所以出現(xiàn)填充不滿和邊緣處不光滑現(xiàn)象。因此可根據(jù)模擬的結(jié)果是否出現(xiàn)充不滿、折疊和飛邊以及成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，研究金屬材料的流動規(guī)律，判斷坯料形狀尺寸及模具等工藝參數(shù)是否合理，如有問題則進(jìn)行修改后再模擬直至缺陷消失。

4 應(yīng)力應(yīng)變及成形載荷分析

由于鍛造時材料處于多向應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生了塑性變形，因此應(yīng)采用等效應(yīng)力來進(jìn)行分析[1-2,6]。圖4為成形結(jié)束時的等效應(yīng)力分布圖，最大等效應(yīng)力為641MPa，發(fā)生在工件凸緣及下凸部分外側(cè)階梯處。這些部位金屬流動困難，充形能力較差，通過增大模具尖角處的圓角半徑和改善潤滑條件，材料流動情況得到改善，最大等效應(yīng)力降為586MPa。圖5為等效應(yīng)變分布圖，最大等效應(yīng)變?yōu)?.63，也發(fā)生在工件凸緣及下凸部分外側(cè)階梯處，通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)后，最大等效應(yīng)變降為4.92。

圖4 等效應(yīng)力分布圖

圖5 等效應(yīng)變分布圖

由于研究對象尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較大的成形力才能迫使材料充滿模膛，因此最大成形載荷是關(guān)注的重點之一。圖6為成形過程的載荷-行程曲線，由圖可知，成形力是不斷增加的。整個變形過程大致可分為3個階段：在初始階段，上模具模芯接觸坯料表面向下擠壓，坯料上部沿徑向、坯料下部向下方發(fā)生塑性變形，載荷曲線上升平緩，變形力較?。划?dāng)模芯臺肩接觸坯料時進(jìn)入充填階段，坯料在外力作用下逐漸向型腔充填，自由面隨之減少，金屬流動阻力相應(yīng)增大，載荷曲線逐漸上升，且持續(xù)時間較長；在最后充滿階段,工件凸緣及上下角隙部分全部充滿，這一階段持續(xù)時間較短，載荷急劇增大，載荷曲線幾乎成直線上升。這是因為當(dāng)載荷增加到最大值(約57MN)時，型腔已基本充滿，金屬的流動空間已很少，再繼續(xù)擠壓充填角隙時金屬就會產(chǎn)生很大的抗力。在這個階段載荷急劇上升，將會大大降低模具的使用壽命。采用熱模鍛成形與溫鍛整形復(fù)合成形工藝，對提高加工質(zhì)量和模具壽命有較大的幫助。

圖6 載荷-行程曲線

5 模擬與試驗成形效果分析

在對橋殼鍛造成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬時，以實際加工參數(shù)為依據(jù)設(shè)置模擬初始條件，坯料體積略大于鍛件體積(增加約4%)，有限元網(wǎng)格的數(shù)量約為鍛件體積(cm3)的15倍及以上，獲得了良好的成形效果，模擬結(jié)果如圖7(a)所示。根據(jù)模擬方案提供的工藝參數(shù)及優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)，試制得到了輪廓清晰、符合要求的鍛件，實物照片如圖7(b)所示。將二者對比分析發(fā)現(xiàn)，試制的鍛件形狀尺寸與模擬結(jié)果相吻合，也未出現(xiàn)充不滿或折疊等成形缺陷，由此驗證了數(shù)值模擬過程的正確性。

圖7 模擬結(jié)果與實物對比圖

6 結(jié)論

本文通過對車橋橋殼鍛造成形過程的數(shù)值模擬和試驗研究得出以下結(jié)論：

1)在橋殼鍛造成形過程中，最大等效應(yīng)力發(fā)生在工件凸緣及下凸部分外側(cè)階梯處，這些部位金屬流動困難、充形能力較差，通過增大模具尖角處的圓角半徑和改善潤滑條件，材料流動情況得到了改善。

2)鍛件在成形過程中的成形力不斷增加，特別是在最后工件凸緣及上下角隙部分充滿階段，載荷急劇增大，這將會大大降低模具的使用壽命。采用熱模鍛成形與溫鍛整形復(fù)合成形工藝，可解決一次成形中載荷較大的問題，對提高鍛件質(zhì)量和模具壽命有較大的幫助。

本文驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，通過數(shù)值模擬分析，可為此類鍛件的鍛造工藝改進(jìn)及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。