滑動叉傳統上采用開式模鍛工藝生產，飛邊大，材料浪費嚴重且尺寸精度差。為了降低鍛件成本，本文針對滑動叉的形狀特征，提出一種少無飛邊模鍛的新工藝，使預制毛坯在封閉的模膛內成形，實現鍛件近凈成形。根據體積不變原則對計算毛坯進行處理得到預制毛坯。本文應用DEFORM 3D軟件模擬研究了滑動叉無飛邊和小飛邊鍛造工藝過程，模擬驗證結果表明，新工藝顯著地提高了材料利用率和成形質量，降低了鍛造載荷。
關鍵詞：滑動叉 閉式無飛邊鍛造 有限元模擬

1 前言

汽車工業的發展對高品質、低成本鍛件的需求不斷上升。轉向萬向節滑動叉（如圖1所示）是一個重要的汽車零件，其形狀復雜，尺寸精度和形位公差要求高，鍛造工藝性差。目前，國內各主要鍛造廠主要采用開式模鍛工藝進行生產，鍛件成形質量差，材料利用率低 [1]。工廠迫切需要一種新的加工工藝，以提高成形質量，減少材料浪費，降低成本。

圖1 滑動叉鍛件

無飛邊鍛造工藝是一種先進的鍛造工藝，通常用于高品質鍛件的生產。如圖2所示，與有飛邊鍛造工藝相比，無飛邊鍛造工藝中鍛件在封閉的模腔內成形，不產生飛邊，節省材料，成形精度高，可實現鍛件的近凈成形或凈成形［2］。

如圖1所示的滑動叉形狀復雜，而且叉桿部截面呈圓形，傳統的整體閉式模鍛工藝難以實現無飛邊鍛造。本文在研究傳統無飛邊鍛造工藝[3,4]和擠壓工藝[5]的基礎上，開發了滑動叉無飛邊閉式模鍛新工藝，以滿足滑動叉的無飛邊鍛造的要求。

圖2 開式與無飛邊閉式模鍛工藝對比
Fig.2: Compare between open-die forging with flash and closed-die forging without flash

2 無飛邊鍛模結構設計

針對滑動叉的形狀特征，本文設計了一套全新結構的鍛模，以滿足無飛邊鍛造的要求。模具由上、下模和沖頭三大部分組成，如圖3所示。上沖頭安裝在壓力機的滑塊上，下沖頭固定在底座上。

圖3 鍛模結構
Fig.3: Structrue of the Dies

圖4所示為鍛造過程中模具動作順序，具體動作如下：

i）毛坯1放入下模4的模膛內。
ii）滑塊下行，上、下油缸活塞聯動，使上模3和下模4相接觸，對上下模施加合模力，形成封閉模腔，夾緊預壓毛坯1。
iii）滑塊繼續下行，上、下油缸壓力不變，叉部毛坯的金屬在上下沖頭的作用下發生墩粗擠壓變形，直至充滿模膛。模具由上、下模和沖頭三大部分組成，如圖3所示。

圖4 模具動作順序
Fig.4: Tooling movement sequence

3 無飛邊鍛造過程的有限元分析

3.1 預制毛坯設計

滑動叉大規模生產時，通常采用楔橫扎工藝生產預制毛坯。根據體積不變原則，在滑動叉計算毛坯基礎上，依據楔橫扎模具設計經驗，設計得到滑動叉的預制毛坯。圖5所示為滑動叉預制毛坯叉部設計。圖6所示為在預制毛坯的幾何參數。

圖5 預制毛坯
Fig 5. Preform

圖6 預制毛坯的幾何參數
Fig.6: Sketch of perform

3.2 滑動叉成型工藝模擬分析

根據滑動叉的形狀和成形的對稱特性，選擇滑動叉的1/4模型進行模擬分析，1/4有限元模型如圖7所示。預制毛坯A處較高（如圖5所示），上下模合模時將被夾緊。夾緊分析輸入參數如表1所示。
表1夾緊工步輸入參數

圖7 FE分析模型
Fig7: FE Simulation model

圖8所示為夾緊后毛坯的等效應變分布圖，預制毛坯僅在A處出現很小的變形。圖9所為夾緊過程的載荷－行程曲線。由圖9可知，夾緊整個預制毛坯大約需要160,000N力。

圖8 夾緊工步等效應變分布
Fig.8: Effective Strain Distribution of holding process

圖9 夾緊工步載荷行程曲線
Fig.9: Punch force curve of holding process

圖10所示為在理想狀態下（精密下料、預制毛坯尺寸精確）毛坯變形過程中不同時刻的金屬流動狀態。

圖10 滑動叉鍛造過程中金屬流動狀況
Fig.10: Material flow in forging of a slide fork

由模擬結果可知，在沖頭作用下，預制毛坯的叉部首先被鐓粗，金屬迅速向模膛兩側流動直至接觸模膛側壁，然后隨著沖頭繼續下壓，金屬向流動阻力最小的叉部凸臺部分的模膛流動，沖頭下面的金屬沿模膛側壁向上流動直至成形完畢。在整個成形過程中，毛坯的變形速度場分布均勻，未出現紊亂，因此整個成形過程不會存在折疊缺陷且成形完全。如圖12所示，在沖頭下壓的過程中，鍛件叉部的應變主要集中在叉部及叉口連皮，而在與桿部相連的部位應變很小。

圖11 鍛造過程中滑動叉的速度分布圖
Fig.11: Velocity distribution in the forging of a slide fork

圖12 叉部應變分布
Fig.12: Effective Strain Distribution in fork section

成形質量的關鍵在于在整個成形過程中，應嚴格控制金屬流動，盡量保證金屬只沿厚向和徑向流動，在軸向上沒有位移或位移極小。該工藝的實現必須保證精確下料，預制毛坯的長度精度要求較高，坯料放入模腔時在長度方向已經被準確定位，合模夾緊后進一步限制了材料的軸向流動。

圖13所示為鍛造過程的載荷－行程曲線。由載荷－行程曲線可知，半個滑動叉鍛造所需載荷約為7.4MN，即15MN壓力機即可滿足整個滑動叉鍛造成形要求。

圖13 滑動叉鍛造載荷曲線
Fig.13: Punch force curve of forging a slide fork

4 小飛邊閉式模鍛工藝模擬

滑動叉閉式無飛邊模鍛工藝具有極高的材料利用率，但該工藝采用的預制毛坯體積精度要求極高，致使預制毛坯加工費用較高。為了降低預制毛坯的加工費用、提高材料利用率，本文還設計了滑動叉小飛邊閉式模鍛工藝。

4.1 小飛邊鍛模結構設計

在滑動叉無飛邊模鍛工藝的基礎上，本文還提出了小飛邊模鍛工藝（飛邊約占毛坯體積的2％）。小飛邊鍛模的結構與無飛邊鍛模的結構相同，只是在上下模叉口底側中間分模位置增加了一個小飛邊結構，如圖14所示。模具的動作與無飛邊鍛模相同。

圖14 飛邊結構
Fig.14: Flash Structure/div

4.2 小飛邊模鍛工藝模擬分析

預制毛坯體積比圖6所示毛坯體積增大1％。圖15所示為滑動叉叉部分析1/4有限元分析模型。

圖15有限元分析模型
Fig.15: FE simulation model

圖16所示為成型過程中金屬流動狀況。由圖16可知，小飛邊鍛造工藝中金屬的流動狀況與無飛邊鍛造工藝中相似，當沖頭下行26mm時，叉口底部靠近飛邊橋部的金屬受足夠大的壓力，開式向飛邊橋部運動，形成飛邊。金屬充滿型腔完畢后，隨著沖頭繼續下行，多余的金屬通過飛邊橋部流向倉部。

圖16 叉部成型過程中金屬流動狀況
Fig.16: Material flow in fork section

圖17 叉部等效應變分布
Fig.17: Effective Strain in fork section

圖18所示為小飛邊鍛造過程中鍛造載荷－行程曲線。由圖可知為了保證毛坯成型完整，飛邊橋部高度較低，金屬向飛邊橋部流動阻力較大，致使滑動叉成型所需載荷稍稍增大，整個滑動叉成型所需載荷達到17.2MN。

圖18 滑動叉鍛造載荷行程曲線
Fig.18: force curve of forging a slide fork

作為對比，計算了該滑動叉開式模鍛所需載荷。滑動叉鍛件長度L件為21cm，水平投影面積（含叉口連皮和飛邊的面積）為340cm2，即換算直徑D件和平均寬度B均分別為20.8cm和16.3cm，查相應圖表得值為65N/mm2。

根據錘上模鍛噸位經驗計算公式[4]：

計算得G＝24930N，即此滑動叉鍛件開式模鍛需要25MN壓力機。

5 結束語

本文根據滑動叉的形狀特點，在傳統整體閉式模鍛的基礎上，結合擠壓工藝的優點，成功的開發了一套滑動叉無飛邊和小飛邊鍛造新工藝。有限元模擬研究表明，與開式模鍛工藝相比，本文提出的無飛邊和小飛邊閉式模鍛新工藝具有鍛件精度高、成形質量好、材料利用率高、所需設備噸位小等優點，具有很好的工業應用前景。

參考文獻：
[1] 趙家勤. 滑動叉鍛造工藝改進［M］. 汽車工藝與材料 , 1995 , (11)：5~9
[2] E. Doege, R. Bohnsack. Closed die technologies for hot forging［J］. Journal of Materials Processing Technology 98 (2000) ：165－170
[3] T.阿爾坦等. 現代鍛造設備、材料和工藝［M］. 北京：國防工業出版社，1982
[4] 張志文. 鍛造工藝學［M］. 西安：西北工業大學出版社，1988
[5] 洪深澤. 擠壓工藝及模具設計［M］. 北京：機械工業出版社，1996
[6] Victor Vazquez, Taylan Altan. Die design for Fashless forging of complex parts［J］. Journal of Materials Processing Technology 98 (2000) ：81－89
[7] T. Takemasu, V. Vazquez, T. Altan. Investigation of metal flow and preform optimization in flashless forging of a connecting rod［J］. Journal of materials Processing Technology 1996,(59)：95-105

作者簡介：谷志飛，清華大學機械工程系2002級碩士研究生，主要研究鍛造工藝CAD/CAE