万向节叉锻造成形过程模拟与分析

南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司高级工程师 陈胜

万向节叉锻造成形过程模拟与分析

南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司高级工程师 陈胜

传动轴万向节叉是车辆传动系统中的关键零件之一，传递着车辆运行的全部驱动力，载荷重、受力情况极其复杂，其力学性能和产品质量直接影响着传动系统的可靠性和车辆运行的安全性，采用常规机械切削加工成形很难满足其强度要求，而模锻成形万向节叉因力学性能好、耐磨损、使用寿命长等优点目前正被广泛使用。

DEFORM软件由美国SFTC（科学成形技术公司）研究开发，软件基于有限元方法建立，广泛用于模拟热锻、温锻和冷锻金属成形工艺，可以对锻造生产的全过程进行模拟，用于预测如材料流动、零件缺陷、分析零件温度分布、应力应变分布及纤维变化，优化锻造工艺及提高模具寿命等。

1. 工艺分析

万向节叉热锻件如图1所示，万向节叉属于拨叉类薄壁零件，锻件左右、前后均对称；杆部与叉部截面面积相差较大；叉部长度较长，成形难度大；杆部属于回转体，具有一个不通孔，在叉部与杆部的交界区域最薄处不到8mm。锻件分模为曲面分模，分模面高度差接近锻件总高度的1/2。

万向节叉材料为40CrMo4，属于低合金结构钢，锻件重量为3.7kg，根据万向节叉结构特点和现有锻造工艺条件，选用自由锻简单预成形和机械压力机开式模锻。预成形是将初始坯料φ75mm×135mm放倒，镦粗至一定尺寸后直接立放在终锻模中直接终锻成形。利用DEFORM-3D软件对万向节叉成形过程进行有限元分析，通过修改预成形毛坯形状，预测锻件模锻的成形结果及成形过程中可能出现的质量问题，达到缩短设计周期和降低产品成本的目的。

2. 有限元分析

图1　万向节叉锻件

（1）有限元模型及参数设置取锻件1/4作为对象，用三

维造型软件UG进行建模，作为导入有限元DEFORM-3D中进行模拟分析，如图2所示。定义坯料初始网格最小单元尺寸0.75mm，尺寸比为3，初始坯料温度为1180℃，模具预热温度200℃，润滑剂为水基石墨，定义坯料、模具与环境强热交换，选择空气锤制坯、机械压力机模锻，预成形坯料直接导入终锻模进行终锻模拟。

（2）模拟结果及分析进行模拟分析时，由于考虑到锻件叉部部分尺寸较杆部长宽比较大，为减小杆部飞边大小，降低材料消耗，初步设想方案是用棒料φ75mm镦粗至40mm后直接终锻成形，模拟结果如图3所示。这种方案由于锻件镦粗的太小，坯料高径比太大，导致锻件失稳，在后续锻造中在图示A位置圆圈部位形成折叠，镦粗至50mm后这种情况得到了解决。

图4是终锻过程金属的流动速度情况。当上模开始下压时，坯料开始向下流动；随着上模的继续下压，坯料和模具接触面积增加。下模不通孔凸台完全接触坯料，此时坯料受下模不通孔凸台的挤压开始向四周运动，上模进一步下压，金属沿锻件宽度方向流动增加，锻件水平宽度增大，同时两个叉部开始成形，飞边也开始出现，并且飞边处金属外流趋势逐渐增强，模具模腔在逐步充满，该阶段变形金属各部分处于不同的三向压应力状态，随着金属与型腔的接触面积增大，摩擦力和金属的变形抗力逐渐增大，所需变形力也随之增加。可以看出，改进后坯料未出现锻造失稳现象。随着上下模具的逐步打靠，飞边处金属水平向外流动，且速度急剧增大，从金属流动情况可以看出，采用改进后的坯料尺寸可以优先避免折叠缺陷，使锻件顺利成形。

在热锻过程中，温度是影响塑性和变形抗力的主要因素之一，对产品锻造后的组织形态和模具的使用寿命影响较大。图5是万向节叉终锻温度场分布。分析可知，在成形过程中，一方面，坯料与模具和环境之间存在温度差，使得坯料在变形的同时，将以各种形式与模具及周围环境进行热交换。另一方面，锻造的过程是在高温下的大变形过程，在锻造过程中约有85%左右的塑性能将转化为热量被坯料自身吸收，造成坯料温度上升，并主要分布在锻件两侧的飞边部位（温度高达1255℃）。在实际成形生产中，通过对成形过程的模拟，得到坯料温度分布情况，为成形工艺优化提供了依据。

图2　万向节叉模拟模型

图3　模锻模拟结果

图4　模拟各阶段锻件内部金属流动速度矢量

图5　终锻温度场分布

图6　终锻模具磨损分布

在锻造成形过程中，热锻模具因承受高温而软化以及坯料与模具发生的相对位移，必然造成模具磨损，当磨损积累到一定程度时，锻件的尺寸就会发生变化，最终导致模具报废。图6是终锻模具磨损分布，从图上可知磨损最大的部位出现在下模不通孔凸台。由于此处模具型腔又高又窄，金属向叉部充填困难，造成变形抗力增大，磨损加剧。在

实际生产中，应加强此处润滑，控制模具的温度升高。

3. 模拟验证

万向节叉锻模按负公差设计成形模膛深度，为保证锻件充满和棱角清晰，选用了较小圆角。飞边桥厚度计算公式为

式中，F为锻件投影面积（mm2）。计算所得飞边桥厚度接近4mm，根据设备规格选取了飞边桥部宽度15mm，但仓部宽度增加到50mm。模具如图7所示。根据DEFORM-3D模拟结果生产的锻件完全充满型腔，未出现缺料、折叠等缺陷（锻件见图8），验证了万向节叉有限元模型的可靠性。

图7　万向节叉模具

图8　万向节叉锻件

4. 结语

通过对万向节叉的工艺性分析，借助DEFORM-3D有限元分析模拟软件，对万向节叉锻造成形整个过程进行模拟分析，对锻造坯料的温度分布、模具磨损分布、材料流动速度、毛坯尺寸优化等作了深入研究，并通过生产验证了坯料及模具设计的合理性和工艺的可行性。

（基金项目：中国南车股份科技计划项目2012NCK183）

20150720