汽車熱模鍛行業(yè)智能化鍛造系統(tǒng)與開放創(chuàng)新服務(wù)平臺研發(fā)及應(yīng)用示范(上)

文/董銘，胡斌，張波 ·浙江威力鍛壓機械有限公司

鍛造行業(yè)作為基礎(chǔ)制造行業(yè)，為汽車、工程機械、航空、航天、船舶等領(lǐng)域提供鍛件產(chǎn)品，具有生產(chǎn)量大、覆蓋面廣等特點。特別是汽車行業(yè)，中國現(xiàn)已是世界最大市場、最大生產(chǎn)國之一，汽車制造業(yè)的快速發(fā)展為鍛造產(chǎn)品提供了廣闊的需求空間，熱模鍛件在鍛造行業(yè)一直作為主流產(chǎn)品，廣泛地應(yīng)用于汽車零部件。隨著競爭的日益激烈，汽車工業(yè)正由高速發(fā)展轉(zhuǎn)入均衡發(fā)展階段，對汽車零部件質(zhì)量的要求也越來越高。

在國外，熱模鍛模擬技術(shù)、虛擬設(shè)計及軟件開發(fā)等方面有許多創(chuàng)新和亮點，基本上實現(xiàn)了零試?；虼蟠鬁p少了試模次數(shù)，以此為基礎(chǔ)發(fā)展而來的智能化熱模鍛技術(shù)成熟度也較高，實際生產(chǎn)中可使機械性能提 高15%～30%。這項技術(shù)在歐洲、美洲和日本等汽車企業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)通過智能化鍛造生產(chǎn)線完成了齒輪生產(chǎn)從切削向近凈成形(冷、熱模鍛)的過渡。德國 BLM 公司智能化熱精鍛齒輪精度已達DIN6 級，節(jié)約材料20%～30% ； 美國每年通過智能化熱模鍛生產(chǎn)線生產(chǎn)的擠壓件數(shù)量超過了 100萬件，其中80%都是汽車零件。

國內(nèi)許多鍛造企業(yè)為了滿足汽車廠商的產(chǎn)品需求，不得不花巨資購買國外發(fā)達國家的生產(chǎn)線或先進鍛造生產(chǎn)設(shè)備，例如多工位自動熱模鍛生產(chǎn)線、閉塞鍛造用多動液壓冷鍛壓力機、多工位自動冷鍛壓力機。 隨主機引進的還包括與壓力機配套的其他設(shè)備，如數(shù)控伺服步進梁式自動送料機、帶石墨涂層裝置的熱模鍛感應(yīng)加熱爐、控制冷卻裝置、精密斷料機等。

為了改變這一現(xiàn)狀，我國熱模鍛產(chǎn)業(yè)需要通過從裝備到生產(chǎn)過程的全面自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)國產(chǎn)替代，推動我國熱模鍛產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。國內(nèi)已有多家鍛壓機床公司對鍛造智能化進行了探索及制造。智能化設(shè)備方面，如浙江鍛壓機床有限公司的 JS21系列數(shù)控伺服開式壓力機不僅可以提高效率， 而且其運動規(guī)律可以很好地適應(yīng)零件，實現(xiàn)了智能制 造的智能化加工編程，揚力集團的GM-315K 數(shù)控門式萬能液壓機，采用伺服控制技術(shù)，重復(fù)定位精度為±0.05mm。 智能化鍛造系統(tǒng)尚處于起步階段，國內(nèi)主要有連云港杰瑞自動化有限公司智能生產(chǎn)線/工作站，可提供自動化整體解決方案，包括工藝路線定制、加工設(shè)備和自動化配套等，北京機電研究所有限公司可實現(xiàn)精密成形企業(yè)智能工廠、數(shù)字化車間整體規(guī)劃等。

總體上看，國外智能化設(shè)備及系統(tǒng)比國內(nèi)先進， 國內(nèi)雖然在智能化設(shè)備上取得了一定的進步，但在智能化系統(tǒng)上還尚未建立完整的、大型的數(shù)據(jù)庫，軟件開發(fā)也處于起步階段，與國外差距較大。順應(yīng)上述需求，需要面向特定鍛造領(lǐng)域針對其中的智能化生產(chǎn)系統(tǒng)與服務(wù)平臺中的關(guān)鍵問題開展相關(guān)研究。本項目目 標是搭建面向汽車熱模鍛行業(yè)的智能化鍛造系統(tǒng)與開放創(chuàng)新服務(wù)平臺，并進行應(yīng)用示范，智能化鍛造系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化鍛造系統(tǒng)總體架構(gòu)

汽車熱模鍛行業(yè)智能化鍛造系統(tǒng)

傳統(tǒng)的熱模鍛生產(chǎn)方式存在一些明顯的缺點：首先，過度依賴于人工操作和經(jīng)驗判斷，導(dǎo)致生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；其次，由于缺乏先進的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，難以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精確控制，零件的精度和一致性難以保證；此外，設(shè)備之間的協(xié)同作業(yè)能力有限，無法實現(xiàn)高效地生產(chǎn)；最后，傳統(tǒng)生產(chǎn)方式對環(huán)境的影響較大，如能源消耗高、廢棄物排放多等，不利于可持續(xù)發(fā)展。

智能化汽車零件精密鍛造生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝及控制流程是一個集成了現(xiàn)代測控技術(shù)、自動化技術(shù)和智能化技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)。首先，從原材料的準備開始，通過預(yù)處理確保金屬材料的初始狀態(tài)滿足鍛造要求。隨后，金屬材料經(jīng)過精確控制加熱溫度和保溫時間，實現(xiàn)均勻加熱和充分奧氏體化，為后續(xù)的鍛造過程奠定良好的基礎(chǔ)。在鍛造環(huán)節(jié)，根據(jù)零件的形狀和尺寸要求，選擇合適的鍛造工藝和模具，確保金屬材料的流動和變形符合設(shè)計要求。同時，通過精確控制鍛造溫度和速度，實現(xiàn)金屬材料的均勻變形和充分致密化，獲得高質(zhì)量的鍛件。鍛造完成后，進入熱處理、精整和檢測階段。在這一階段，精確控制熱處理工藝參數(shù)，確保零件的組織和性能達到最佳狀態(tài)。同時，采用先進的檢測設(shè)備和在線監(jiān)測系統(tǒng)，對零件的尺寸、形狀和性能進行全面測，確保零件的質(zhì)量符合標準要求。

在整個生產(chǎn)工藝過程中，智能化系統(tǒng)通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)各設(shè)備的協(xié)同作業(yè)和精準控制。此外，通過工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，對生產(chǎn)過程中的各項參數(shù)進行實時監(jiān)測和分析，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和可控性?；诠に囂卣髋c生產(chǎn)產(chǎn)品目標需求，智能化汽車零件精密鍛造生產(chǎn)線控制流程圖見圖2。

圖2 智能化精密鍛造生產(chǎn)線控制流程

壓力機的剛度分析及優(yōu)化設(shè)計

研究背景

高精度壓力機的研發(fā)是一項系統(tǒng)工程，其中機床結(jié)構(gòu)自身的剛度則對壓力機精度起到了基礎(chǔ)性的作用，剛度較大的壓力機在生產(chǎn)線工作時受載變形量較小，機身精度較高，可以提升生產(chǎn)加工效率和質(zhì)量，能提高智能鍛造生產(chǎn)線數(shù)據(jù)反饋的穩(wěn)定性和精確性。鍛壓機床的典型負載為靜力及隨加工零件、工藝不同而改變的動力沖擊負載，如何維持機床結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況下的高剛度性能是高精度機床結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要問題。然而?，F(xiàn)有的壓力機機床設(shè)計理論方法很少考慮復(fù)雜工況對結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合影響，往往只以靜態(tài)剛度為目標進行結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析與設(shè)計，這種粗放的設(shè)計流程直接導(dǎo)致設(shè)計方案在實際使用中可能存在剛度不足或材料浪費。因此需要針對壓力機機身支撐結(jié)構(gòu)材料分布問題展開具體的研究，以鍛造壓力機為研究對象，分析研究提高壓力機機身結(jié)構(gòu)剛度和工作狀態(tài)下精度的方法與思路，探索機身結(jié)構(gòu)在不同工況下的優(yōu)化設(shè)計方法。

壓力機機身結(jié)構(gòu)性能分析

壓力機主要由機身、工作臺、傳動結(jié)構(gòu)、離合器、制動器等構(gòu)件組成。鍛造過程中壓力機的負載屬于短時沖擊載荷，空程時電動機帶動飛輪加速旋轉(zhuǎn)儲存能量，工作時飛輪減速釋放能量形成鍛造所需的鍛造力。機身作為鍛造壓力機的主要承載構(gòu)件也是最大的構(gòu)件，其質(zhì)量約占整機的60%以上，需要承載壓力機在工作狀態(tài)下產(chǎn)生的全部變形力，同時需保證滑塊的運行精度，對于整機的性能至關(guān)重要。合理配置壓力機機身的質(zhì)量與結(jié)構(gòu)，提高機身剛度和工作精度，減小機身變形位移，增加壓力機的使用壽命成為壓力機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。

壓力機機身為閉式整體機身，裝配方便，具有良好的吸振性，比較適合大批量生產(chǎn)，該機身主要由4大結(jié)構(gòu)組成左右兩側(cè)壁支撐結(jié)構(gòu)、上橫梁、下底座及工作臺。分析機身的應(yīng)力和變形時，采用公稱壓力為2500kN作為機身外載荷。壓力機在工作狀態(tài)下，機身主要承受兩個載荷，其大小相等、方向相反，一個是作用在曲軸支撐孔上、方向豎直向上的點載荷，另一個是作用在工作臺、方向向下的均布載荷。

將最大公稱壓力2500kN作為機身工作狀態(tài)下的負載，利用曲軸支撐孔受力接觸面與孔的空間節(jié)點耦合，通過向空間節(jié)點施加載荷的方式模擬機身曲軸孔受力。壓力機在工作時產(chǎn)生的力大部分由機身承載，因此機身會產(chǎn)生一定的變形，機身曲軸支撐孔與工作臺之間的相對位移會導(dǎo)致模具受損甚至影響產(chǎn)品精度，將其作為機身優(yōu)劣的判斷標準。根據(jù)建立的模型及參數(shù)設(shè)置，利用Abaqus軟件的StaticStructural模塊對壓力機機身進行整體靜力學(xué)分析。壓力機在工作狀態(tài)下，機身受到的應(yīng)力左右對稱，曲軸支撐孔、機身內(nèi)側(cè)板以及前板存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，機身受到的最大等效應(yīng)力為85.32MPa。機身是主要承載結(jié)構(gòu)，因負載將導(dǎo)致彈性形變，機身方孔及上部區(qū)域都有發(fā)生變形，曲軸支撐孔處和機身前支撐板上端是機身整體變形位移最大處，最大整體位移達0.5702mm,對機身的剛度影響較大。

考慮能否引起機身共振，對外部激振源進行分析。本文壓力機所使用的電機為四極三相異步電機，其額定轉(zhuǎn)速為1000r/min,因此電機的工作頻率小于16.67Hz。壓力機滑塊的行程次數(shù)是每分鐘32次，所以壓力機的實際工作頻率為0.53Hz。由仿真分析可知，壓力機機身的一階固有頻率約為22.21Hz,機身低階固有頻率遠大于外部激振源頻率，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。因為外部激振源頻率與機身低階固有頻率差距較大，因此在機身結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，可適當忽略模態(tài)共振對于機身性能的影響。

基于拓撲優(yōu)化的機身靜力結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計

采用變密度拓撲優(yōu)化方法，規(guī)劃應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳播路徑，結(jié)合最優(yōu)準則和數(shù)學(xué)歸納法，在概念構(gòu)型設(shè)計階段找到所需的最佳質(zhì)量分布。對材料進行重新分配，進而得到符合設(shè)計需要的模型結(jié)構(gòu)。變密度拓撲優(yōu)化通過材料密度可變的原則，刪去對結(jié)構(gòu)剛度影響較小的單元材料實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解，在優(yōu)化過程中將密度為1的材料保存，密度為0的材料刪去，最終形成優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

為了提高壓力機機身的結(jié)構(gòu)剛度，改善模型動態(tài)特性，將機身兩側(cè)壁空間補充至實體，作為拓撲優(yōu)化設(shè)計域，以最小柔度設(shè)為優(yōu)化目標函數(shù)，同時設(shè)置體積分數(shù)為約束條件，以保證優(yōu)化后模型的結(jié)構(gòu)體積與優(yōu)化前模型結(jié)構(gòu)體積保持一致，建立拓撲優(yōu)化的數(shù)學(xué)表達式。設(shè)置迭代次數(shù)為100次，對機身設(shè)計域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的材料分布與機身結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力波傳播路徑大致相同，兩側(cè)壁內(nèi)側(cè)板區(qū)域材料分布較密集，該區(qū)域受力較大：兩處曲軸支撐孔主要保留孔下側(cè)材料，孔上方連接處也有少量分布：方孔豎直兩側(cè)的材料分布較多，上下兩處有橫梁結(jié)構(gòu)存在。

利用響應(yīng)面和粒子群算法結(jié)果得到的最優(yōu)解對應(yīng)的變量值在SolidWorks中進行參數(shù)化建模。將三維模型導(dǎo)入Abaqus軟件進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，獲得優(yōu)化后機身結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖和整體位移圖(圖3),優(yōu)化后的機身結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力降為82.09MPa,機身整體最大位移量減小到0.2672mm,與原壓力機機身結(jié)構(gòu)相比皆有改善。

利用SLA光固化打印技術(shù)將兩個壓力機機身模型同比例縮小1/10,使用8828高強度樹脂材料，并設(shè)置相同的打印參數(shù)打印出優(yōu)化前后的壓力機機身結(jié)構(gòu)樹脂模型，對兩個實體模型進行受力分析。通過萬能電子試驗機對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的兩個壓力機機身模型進行與仿真載荷方向設(shè)置相同的拉伸試驗，具體夾持方式與拉伸方向見圖5。

圖5 機身實體模型受力分析

將電子萬能試驗機的拉伸速度設(shè)置為0.5mm/min,分別對兩個機身模型施加從小到大的力，通過傳感器實時記錄機身模型受力大小和變形量情況。在拉力為0.5KN前的階段，機身處于未拉緊狀態(tài)，當拉力超過0.5KN,隨著拉力的逐漸增加，機身逐漸發(fā)生變形位移。當兩個模型受到相同的拉力時，優(yōu)化后機身模型的變形位移量要略小于優(yōu)化前的機身模型，證明機身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是正確的，機身剛度的確得到了提高。當力增加到3kN時，優(yōu)化后模型整體變形量為1.145mm,優(yōu)化前模型整體變形量為1.299mm。

將數(shù)值分析結(jié)果與實體試驗結(jié)果對比研究，驗證數(shù)值仿真結(jié)果的有效性。最后，通過對比不同材料的機身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，驗證了真實材料下機身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的正確性與有效性，為類似鍛壓設(shè)備的高剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

典型件精密鍛造成形工藝與設(shè)備參數(shù)

關(guān)系研究

鍛造成形工藝設(shè)計和研究是鍛造生產(chǎn)線的基礎(chǔ)工作，也是智能化鍛造系統(tǒng)建立的重要組成部分。項目以汽車萬向節(jié)鐘形罩、渦旋壓縮機靜/動盤等典型零件為產(chǎn)品對象，對目前精密鍛造成形工藝存在的問題展開研究，進行智能化鍛造生產(chǎn)線的開發(fā)和建設(shè)。

汽車渦旋壓縮機靜盤精密鍛造成形工藝

靜渦旋盤技術(shù)要求材料為6061鋁合金，批量為10萬件/年，未知尺寸公差為±0.2mm,未注公差按GB/T1184-K,鍛件正火處理，硬度≥120HBW,鍛件各處不允許有氣孔、缺料、飛邊、拉傷、裂紋等缺陷，通過計算，靜盤的體積為12235.475mm的3次方，質(zhì)量為0.1461kg。
      (1)工藝流程。

汽車渦旋壓縮機靜盤工藝路線：制坯→加熱→熱模鍛→冷精整→鍛件檢驗。通過計算確定鍛件的尺寸，每個工步坯料的尺寸，再計算分析鍛件成形過程發(fā)生的變形程度和所需要的擠壓應(yīng)力，通過這些數(shù)值選擇壓力機噸位，優(yōu)化成形工藝。

變形程度和擠壓比通過公式εp=[(A0-A1)/A0]×100%(斷面收縮率)，G=1/(1-εA)(擠壓比)計算，工藝中正擠壓工藝、鐓粗工藝和反擠壓三道工藝進行變形程度。通過計算此工藝符合要求。

毛坯尺寸。鐘形罩的類型可以根據(jù)沿軸線截面變化較大的長軸類鍛件的計算原則來確定坯料的直徑，通過公式d=(4V/π1)1/2計算確定毛坯直徑d=103mm,長度I=55mm,質(zhì)量m=3.1kg。

單位擠壓力P=α(HV)"(InεF)"=532MPa<2500MPa,滿足要求。

壓力機噸位F=cPA。擠壓成形設(shè)備噸位為88×10kN.反擠壓成形設(shè)備噸位為2.7×10的3次方kN,因此，擠壓成形可選1000噸的壓力機，溫反擠可選400噸的壓力機。

模膛尺寸計算。凹模型腔尺寸D=D公稱+D公稱α坯t坯-D公稱α模t模-△D彈=110mm,凸模直徑d=d公稱+d公稱α坯t坯-d公稱α模t模+△d彈=103mm。

(2)成形過程模擬。

用Deform-3D軟件進行模擬，模擬相關(guān)參數(shù)設(shè)置：材料為6061鋁合金：凸模工作速度為10mm/s:背壓力為50kN;坯料溫度為430℃:模具溫度為320℃,摩擦因子為0.3,坯料網(wǎng)格數(shù)為60000,步長為0.1mm。

溫擠壓時，坯料在凸模的壓力下，毛坯向下移動，受到擠壓力，上模持續(xù)推進，坯料在凹模的限制下，受到垂直圓心軸向的擠壓力，毛坯對下模腔進行填充。受壓狀態(tài)下的圓柱下端向下方和兩側(cè)流動填充靜盤模腔，速率開始降低。

無背壓時，起初毛坯只與凸模部分接觸，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，主應(yīng)力較大，隨凸模向下擠壓，兩模具之間的金屬越來越少；有背壓時，起初預(yù)成形件先與凹模接觸部分產(chǎn)生較大作用力，隨著凸模的不斷推進，毛坯與上模接觸點應(yīng)力最大，預(yù)成形件與靜盤接觸位置應(yīng)力較大，凸模繼續(xù)推進，模腔開始充滿。有背壓時應(yīng)力分布更加均勻且更小。

無背壓時凸模能承受的最大載荷為5.32×10的3次方kN,有背壓時凸模能承受最大載荷約為3.29×10的3次方kN,有背壓時所受到的成形載荷更小，同時有背壓比無背壓時靜盤成形質(zhì)量更好，因此，靜盤成形時宜采用帶背壓的工藝方案。

鍛件最大應(yīng)力集中分布在渦旋盤底盤直徑外緣部分，其次是渦旋根部，因向渦旋部分流動。采用背壓成形工藝，毛坯在模腔里受到上、下、側(cè)面擠壓力，毛坯塑性變形能力顯著提升，產(chǎn)品質(zhì)量得到優(yōu)化。無背壓情況下，毛坯不能正確成形鍛件，金屬流動極不均勻，且端面很不平整。有背壓情況下，鍛件端面平整，成形狀況較好。

(3) 模具設(shè)計及優(yōu)化。模具結(jié)構(gòu)如圖6所示，背壓設(shè)計如圖7所示，凸模設(shè)計如圖8所示，凹模設(shè)計如圖9所示。

(4)靜盤產(chǎn)品。

將上述汽車渦旋壓縮機靜盤熱模鍛成形的研究成果應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，圖10為靜盤產(chǎn)品實物，產(chǎn)品滿足技術(shù)要求。

圖6 模具結(jié)構(gòu)圖

圖7 背壓成形的剖視圖

圖8 凸模結(jié)構(gòu)圖

圖9 凹模結(jié)構(gòu)圖

圖10 汽車渦旋壓縮機靜盤

汽車渦旋壓縮機動盤精密鍛造成形工藝

與汽車渦旋壓縮機靜盤類似的方法對動盤精密鍛造成形工藝技術(shù)進行研究。采用溫精鍛鍛造汽車渦旋壓縮機動盤，與靜盤成形工藝類似，動盤加工工藝路線為制坯→加熱→熱模鍛→冷精整→鍛件檢驗。

通過工藝計算，可得毛坯直徑為90mm,長度為40mm:變形力為2461.99KN,壓力機噸位為911.89KN,可選噸位為1000噸鍛壓機。

根據(jù)上述信息進行成形過程模擬。首先，用Deform-3D軟件進行模擬。模擬相關(guān)參數(shù)設(shè)置：坯料溫度為250℃,環(huán)境溫度為20℃,與空氣對流散熱系數(shù)為0.02N/(s·mm·℃),與模具對流系數(shù)為0.02N/(s·mm·℃),模擬總步數(shù)為100步，相應(yīng)的每步0.2s,工件材料為6061鋁合金，采用四面體網(wǎng)絡(luò)劃分33721個網(wǎng)格，摩擦系數(shù)為0.25,擠壓速度為10mm·s的-1次方。

利用仿真軟件模擬成形過程：隨著金屬不斷發(fā)生塑性變形，工件的應(yīng)力值由下而上逐步增大，工件渦旋上面部分承受最大應(yīng)力(643MPa)。無背壓情況下毛坯不能正確成形鍛件，金屬流動極不均勻，且端面很不平整。有背壓情況下，鍛件端面平整，成形狀況較好。渦旋體的上部經(jīng)歷了極大的變形，最終均勻成形，下部變形一直比較平穩(wěn)均勻。工件在擠壓過程中產(chǎn)生不均勻流動，渦旋體部分的速度場明顯大于環(huán)狀凸起部分，且渦旋體部分在最終位置的最大高度差相差很大。

根據(jù)仿真結(jié)果開展模具設(shè)計，具體分為凸模設(shè)計、凹模設(shè)計(圖11)及模具裝配(圖12)。凹模內(nèi)壁承受的單位應(yīng)力很高，因此采用兩層組合凹模的方法。組合凹模材料選用45號鋼，可以顯著提高凹模承載能力，防止模具縱向開裂。

將上述汽車渦旋壓縮機動盤熱模鍛成形的研究成果應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，圖13為動盤產(chǎn)品實物，經(jīng)檢驗產(chǎn)品滿足技術(shù)要求。

圖11 組合凹模圖

圖12 模具裝配圖

圖13 汽車渦旋壓縮機動盤

汽車萬向節(jié)鐘形罩精密鍛造成形工藝

汽車萬向節(jié)鐘形罩技術(shù)要求鍛造材料為40Cr;鍛造后的零件硬度為180~235HBW,金屬流線應(yīng)符合鍛件外形，不允許有切斷現(xiàn)象，鍛件各處不允許有夾層、折疊、裂紋、過熱等缺陷，鍛件晶粒度≥6級，要求每年產(chǎn)量10萬件。

(1)工藝流程。

采用溫精鍛鍛造鐘形罩，具體工藝流程制坯→正擠壓→鐓粗→反擠壓→熱處理(正火)→冷精整→鍛件檢驗。

(2)工藝計算。

通過計算確定毛坯長度為140mm,直徑為59mm,質(zhì)量為3.1kg,正擠壓桿部單位擠壓力為1692.8MPa小于2500MPa,反擠壓階段凹模單位擠壓力為1440MPa,小于2500MPa,均滿足要求。擠壓成形設(shè)備噸位=8.8×10的3次方kN,反擠壓成形設(shè)備F=2.7×10的3次方kN,因此，擠壓成形可選1000噸的壓力機，反擠可選400噸壓力機。

(3)成形過程模擬。

利用Deform-3D軟件對萬向節(jié)鐘形罩鍛造成形過程進行數(shù)值模擬分析。正擠壓階段，金屬坯料在凸模的軸向壓力下，一直向下流動直至填滿模具。反擠壓階段，成形初期坯料在上模的軸向壓力下向下流動。毛坯邊緣的金屬向兩側(cè)擴散，由于凹模的作用，毛坯中間金屬向下流動，隨著凸模壓下量增加，毛坯兩邊的金屬繼續(xù)向下流動，且流速較快：隨著凸模下壓.杯部金屬向上流動，且向上的流速比底部向下流速快，大致成形后，鍛件邊緣的金屬向外流動，內(nèi)部金屬有向下流動的趨勢。

成形過程中一步擠壓需要巨大的擠壓應(yīng)力，模具和壓力機無法承受，還會產(chǎn)生較多的飛邊，浪費材料與實際生產(chǎn)零件的要求不符，所以對工藝進行優(yōu)化，增加一步初擠壓，降低擠壓應(yīng)力，節(jié)約材料。優(yōu)化后模擬結(jié)果顯示鐘形罩內(nèi)部金屬流線規(guī)則，模具應(yīng)力滿足要求，因此符合工藝、符合設(shè)計要求。

(4)模具設(shè)計。

鐘形罩擠壓成形需要四套模具，各擠壓步驟模具結(jié)構(gòu)除凸凹模外基本相同。反擠壓是保證零件的尺寸精度和表面粗糙度的關(guān)鍵，擠壓時模具要承受一定的高壓，所以對反擠壓模具要求較高，設(shè)計圖如圖14所示。

汽車熱模鍛行業(yè)智能化鍛造系統(tǒng)與開放創(chuàng)新服務(wù)平臺研發(fā)及應(yīng)用示范(中)