一种限制料流动的预成形方案设计

文／张向卓，孟俊·陕西法士特齿轮有限责任公司

同步器滑动齿套是我公司需求量较大的一个零件，该件的锻件(图1)在锻造自动线上生产。为便于后续表述，将该件中间部分称轮毂，腹板部分称轮辐，外侧部分称轮缘。

该件轮毂处厚度为44mm，轮缘处厚度为26mm，轮毂处厚度为轮缘处的1.7倍，轮毂处型腔体积大，不易充满，并且由于该件在锻造自动线上生产，对工艺的稳定性要求更高，因此对预成形方案有更高的要求。

原方案介绍及分析

原成形方案介绍

由于该件批量大，设计在自动线上生产，该件成形工步分四步：预镦粗、镦粗、预锻、终锻，如图2所示。

该方案是按常规件的经验进行设计的。由于平镦粗比成形镦粗在生产中更稳定可靠，因此镦粗工步采取平镦粗，但该件采用平镦粗时常规的预锻设计无法合理分料，导致预锻轮毂处缺料过多，因此该方案在实际生产中存在以下几点问题：

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图2 成形工步

⑴轮毂处充满较差。

⑵轮辐处易出毛刺。

⑶终锻上模寿命低，生产约6000件后模具开裂，开裂部位在轮辐内侧φ179mm对应的模具凹圆角处。开裂模具见图3。

图3 开裂模具

原方案分析

针对存在的问题，利用DEFORM软件对原方案进行仿真模拟，模拟结果如下：

⑴预锻成形时料向外流动较多，导致轮毂处严重缺料，如图4上图所示。

图4 坯料流动趋势

⑵终锻成形时轮缘部分先充满，此时轮毂部分还有很大范围的缺肉，可以看到外侧的料向内侧回流，并且此时轮缘部分产生563MPa的压应力，如图4下图所示。

⑶轮毂处完全充满时，锻件外圆产生毛刺，此时轮缘部分最大压应力为1280MPa，此时载荷为4.14×107N，约4200t，如图5所示。

对比实际情况，经过模拟可看出，该方案在成形过程中由于轮毂处缺料较多，轮毂处较难充满，在轮缘充满后上模继续向下移动，此时料会大范围向内横向流动，轮缘处受到的压应力急剧增加。由于该部位模具凹圆角处为应力集中点，在交变应力作用下，模具凹圆角处疲劳开裂。

图5 受力分析

成形方案改进及生产验证

改进方案

通过分析可以发现原方案的主要问题在于轮毂处缺料，以此为切入点，通过反复模拟和优化，得出了一种较为理想的方案。

由于预镦粗和镦粗工步的基本方案没做改动，此处不再详述。新方案主要是预锻工步的改进，在预锻工步的轮辐处设计斜度，增加坯料向外流动的阻力，限制坯料的流动方向，使轮毂部分存储更多的坯料，图6为预锻工步的设计。

图6 预锻工步设计

改进方案模拟分析

改进后的方案模拟结果如下：

⑴预锻成形时轮辐处的料向内流向轮毂处，有效补充了轮毂处的模具空腔，如图7所示。

图7 改进后的坯料流动趋势

⑵终锻成形时轮毂部分先充满，此时轮缘部分也接近充满，终锻上模继续向下压时，轮毂处多的料会流向连皮仓部，坯料流动范围小，如图8上图所示。

⑶此时锻件完全充满，当前载荷为3.31×107N，约3400t，打击力较原方案降低了20%，如图8下图所示。

生产验证

此方案经过实际生产获得了质量良好的锻件，见图9。经过批量生产验证后，锻件质量良好且生产稳定，模具没有出现过开裂失效，模具寿命从原来约6000件提高到15000件以上，此方案较原方案改善效果明显。

图8 改进后的受力分析

图9 产品

结束语

通过模拟分析及生产验证，可以发现对于轮毂和轮缘厚度相差较大的锻件，可以通过在预锻工步增加阻尼结构，达到合理分料的目的，这样可以有效提高锻件质量，同时可以改善模具受力情况，提高模具使用寿命。