空心电机轴锻造方法（异形件电机端扁头成形工艺数值模拟研究）

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★ 基金号：甘肃省科技计划资助 17CX2JA036

文/李岚峰，马鹏翔，谈安宝，杨武·兰州兰石集团有限公司铸锻分公司

本文以某公司电机端扁头异形件为例，借助计算机模拟，使用Forge 锻造模拟软件，进行数值模拟仿真及分析，材料为35CrMo，毛坯锻件形状及尺寸如图1 所示，模拟使用原材料钢坯尺寸为600mm×1130mm×1500mm，坯料重量7.9t，锻造使用50MN 快锻机组，锻造温度范围为850～1220℃。在模拟过程中不断优化方案及参数，并根据产品的具体要求，设计适用的模具，对锻造的各工序进行模拟及分析，得出优化后的最终工艺参数，对生产高品质锻件具有重要指导意义。

图1 毛坯锻件尺寸示意图

工艺简介

异形件电机端扁头锻造工艺可操作性强，锻件毛坯尺寸符合要求，模具设计合理，提高了生产效率，提高了材料利用率，降低了生产成本。根据产品外形设计的锻造工艺路线，具体为先分步镦粗至300mm，然后翻转滚圆，进一步镦粗至250mm，最后滚圆修整至φ1600mm。

棍是原始人类最普遍使用的兵械之一，各朝各代无论是军中武术还是民间武艺，都对棍尤为重视。棍术的技击特点是勇猛、快速、多变。

在以上工艺路线的基础上，根据上平砧与坯料长度方向垂直或一致分为两种方案。方案一，上平砧与坯料长度方向垂直；方案二，300mm 之前上平砧与坯料长度方向一致，300mm 镦粗至250mm 时，上平砧与坯料长度方向垂直。

工艺数值模拟

模型建立及参数设置

使用SolidWorks 软件对上模、坯料、下模进行三维建模，上模为平砧，下模为自主设计，下模如图2 所示，其拔模斜度为7°。然后将.stl 格式文件导入Forge 软件中，产品材料为35CrMo，材料成分见表1。

图2 下模示意图

表1 35CrMo 化学成分(wt %)

对导入的模型进行有限元网格划分，为保证模拟的准确性，将网格细化，最终得到的坯料单元数为19902，见图3。设定坯料始锻温度为1220℃，模具预热至250℃，环境温度为20℃，压力模型选择“Multispeed_hydraulic_press”( 即压机速度30→25 →20mm/s 进行分步镦粗)，压机最大压力设置为5000t。

图3 有限元模型网格划分及相对位置示意图

模拟过程分析

方案一：上平砧与坯料长度方向垂直，模拟过程见图4，镦粗过程中450mm 镦粗至300mm 时模具受力最大为3918.1t，见图5。在下模具上方坯料镦粗至300mm 时，表面形状见图6，呈扁长型。模具上方坯料滚圆难度较大，故进行方案二模拟。

图4 方案一模拟过程

图5 方案一镦粗时模具受力曲线示意图

图6 方案一镦粗至300mm 时形状示意图

方案二：300mm 之前上平砧与坯料长度方向一致，300mm 镦粗至250mm 时，上平砧与坯料长度方向垂直，成形过程如图7 所示。

图7 方案二模拟过程

经过模拟分析，数据显示镦粗3（450mm 镦粗至300mm）过程中压力最大为5061.4t(跳跃点)，平均为4700t，具体受力情况如图8 所示。分析原因是设置的初始压机速度30mm/s 过大，应将压机初始速度减小。

图8 方案二镦粗3 过程模具受力图

优化后：设置压机速度为25 →20 →20mm/s。模具承受压力最大值为4929t，平均为4680t，见图9，设备可以满足生产要求。

图9 方案二镦粗3 过程优化后的模具受力图

方案二：镦粗3 之后坯料外形如图10 所示，外形近似四方，在滚圆过程中较易操作。毛坯锻件示意图如图11 所示，外形尺寸满足加工前要求。

图10 方案二镦粗至300mm 时形状示意图

图11 毛坯锻件示意图

结论

⑴通过对产品形状分析，设计具有拔模斜度的模具，并设计不同成形工艺方案，使用SolidWorks Forge 进行有限元模拟，上平砧与坯料长度方向垂直时，压机压力小，但外形呈扁长，加大后续成形过程难度；上平砧与坯料长度方向一致时，压机压力较大，但通过调整压机速度，设备可以满足要求，并且在镦粗至300mm 时外形近似四方，后续过程较易实现。

⑵可选用方案二进行电机端扁头毛坯件热加工。

作者简介

李岚峰

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项目经理，长期从事新材料研发和铸锻件工艺研究。主持完成增材制造项目，齿轮钢产品新材料、新工艺研发，参与工信部“石油装备关键零部件数字化铸造及智能制造新模式”项目研发工作。

——来源：《锻造与冲压》2020年第15期

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