精密鍛造成形具有生產(chǎn)效率高、成形精度高、綜合力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前汽車變速箱間隔襯套的主要成形工藝。結(jié)合零件特點(diǎn)設(shè)計(jì)了間隔襯套精密鍛造及切邊模具，采用有限元分析方法對間隔襯套鍛造成形過程、毛坯尺寸優(yōu)化以及進(jìn)行沖連皮過程進(jìn)行了分析。間隔襯套是汽車變速箱的主要零件之一，在汽車運(yùn)行過程中承受較高的齒輪高速摩擦力和軸向應(yīng)力，間隔襯套作為汽車變速器主要零部件需求很大，生產(chǎn)工藝有鑄造、鍛造和粉末冶金等，相比于其他生產(chǎn)工藝，精密鍛造成形工藝生產(chǎn)的間隔襯套以力學(xué)性能優(yōu)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)著間隔襯套總產(chǎn)量的70%左右，因此鍛造成形是間隔襯套的主要成形工藝。延長鍛造模具壽命、提高材料利用率、實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)是提高鍛造間隔襯套市場競爭力的關(guān)鍵問題所在。鍛造過程數(shù)值模擬分析技術(shù)可以對包括零件加熱、鍛造、切邊以及校正等精密鍛造全過程進(jìn)行有限元分析，是提高汽車零件精密鍛造效率的重要手段。本文以某型號間隔襯套為分析對象，采用數(shù)值模擬分析方法對間隔襯套成形以及切邊全鍛造過程開展分析，為車用零件精密鍛造成形工藝優(yōu)化探索出一種實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。
工藝方案及模具設(shè)計(jì)確定
某新型汽車變速器間隔襯套高25mm，外直徑為φ65mm、內(nèi)圓直徑為φ39.8mm，材料為45#鋼。根據(jù)間隔襯套零件特點(diǎn)設(shè)計(jì)間隔襯套鍛件如圖1(a)所示。分模面設(shè)置在零件最大輪廓處，單面機(jī)械加工余量2mm，外斜度用2°、內(nèi)斜度用3°；圓角半徑R 為3mm、外圓角半徑r 為1.5mm；間隔襯套的連皮類型為斜底連皮，厚度為4mm，內(nèi)腔最大深度為42mm。根據(jù)上部分模特點(diǎn)，未設(shè)計(jì)飛邊槽結(jié)構(gòu)，鍛造模具設(shè)計(jì)如圖1(b)所示。
有限元模型建立及參數(shù)設(shè)置
間隔襯套鍛造成形以及沖孔過程模擬用有限元模型如圖2 所示。為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，鍛造及沖孔均采用1/4 對稱模型，沖孔采用Normalized Cockcroft & Latham 斷裂準(zhǔn)則，模擬用主要參數(shù)見表1。
鍛造過程模擬及分析
間隔襯套鍛造成形過程分析
采用棒狀毛坯的間隔襯套鍛件成形過程，如圖3所示。鍛造過程開始階段，毛坯主要發(fā)生自由鐓粗變形；當(dāng)零件側(cè)壁型腔填充滿后，金屬向下流動將下模底部填滿；下模型腔基本充滿后，金屬材料隨著上模向下移動而進(jìn)行反向擠壓流動，與上模底部接觸后橫向流動直到型腔全部填充，多余金屬形成飛邊。間隔襯套鍛件成形過程載荷-行程曲線，如圖4 所示，充滿型腔階段成形載荷大幅提高，形成飛邊后成形載荷直線上升。
間隔襯套毛坯尺寸優(yōu)化
不同尺寸毛坯成形等效應(yīng)變分布，如圖5 所示。φ50mm×20mm、φ52mm×20mm 毛坯不能充滿型腔；φ52mm×25mm 毛坯可以完全充滿型腔但產(chǎn)生大量飛邊；φ50mm×25mm、φ52mm×22mm、φ52mm×23mm 均能完全充滿型腔，成形過程中未發(fā)現(xiàn)缺陷并且也產(chǎn)生了適量的飛邊。綜合下料情況、飛邊大小及材料利用率，最終認(rèn)為φ52mm×23mm為間隔襯套鍛件毛坯最佳尺寸。
間隔襯套沖孔過程分析
間隔襯套沖孔過程不同階段等效應(yīng)力，如圖6 所示。圖6(a)為鍛造成形后間隔襯套鍛件截面圖；沖孔過程開始階段，沖孔連皮與沖頭接觸區(qū)域開始發(fā)生塑性變形圖6(b)，隨后整個(gè)沖孔連皮發(fā)生較大塑性變形圖6(c)；隨著沖頭快速下移沖孔連皮開始與鍛件分離圖6(d)，變形主要發(fā)生沖孔連皮與沖頭接觸區(qū)圖6(e)。圖6(f)為沖孔后的間隔襯套，零件內(nèi)表面斷裂帶明顯，鍛件整體未發(fā)生較大變形。
工藝方案驗(yàn)證
采用優(yōu)化后毛坯尺寸進(jìn)行汽車變速箱間隔襯套鍛件生產(chǎn)，鍛造過程與模擬結(jié)果一致，如圖7 所示，零件表面質(zhì)量檢測以及后續(xù)無損探傷均未發(fā)現(xiàn)缺陷，驗(yàn)證了汽車變速箱間隔襯套鍛造全過程有限元模擬的可靠性。
結(jié)論
⑴根據(jù)零件特點(diǎn)設(shè)計(jì)了間隔襯套精密鍛造模具，通過數(shù)值模擬分析將間隔襯套鍛造過程分為自由鐓粗、側(cè)壁型腔填充滿、下模底部填滿、反向擠壓、全部填充、形成飛邊六個(gè)階段。⑵采用有限元分析方法對毛坯尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，得到了最優(yōu)的汽車變速箱間隔襯套鍛件毛坯尺寸φ52mm×23mm。⑶對間隔襯套沖孔過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到的沖孔效果與實(shí)際鍛造一致，驗(yàn)證了鍛造全流程模擬的可靠性。
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