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扭矩板作为薄板件，其截面较复杂，各部位厚度差异较大，锻造时容易出现填充不足或折叠等现象。扭矩板在1副具有较多模锻工步的整体锻模上模锻，可实现较高的生产效率，采用数值模拟技术可以得到坯料在锻造过程中金属的变形趋势和等效应力分布，预测填充性与折叠缺陷，方便后续修模与优化。 01 模具设计 图1 扭矩板结构 某型号扭矩板的结构如图1所示，外形尺寸为408mm×195mm，最大厚度为25mm在底部两侧，最小厚度为3mm在中间圆环处。 图2 扭矩板三维造型 该型号扭矩板的三维造型如图2所示，测得体积为1005727mm3。扭矩板各部位厚度差异较大，上部边缘有2个圆形凸台，厚度为24.7mm，属于较难填充的部位，同时要求下部的平台面厚度为21mm，且锻后不进行机加工。 （a）上模 （b）下模 图3 模具结构 基于该扭矩板的形状特点，采用弯曲→预锻→终锻→切边的成形工艺，计算飞边槽后进行终锻模、预锻模以及弯曲模设计。模具三维结构如图3所示，为方便操作，设计弯曲模在最右边，预锻模在中间，终锻模在最左边，其中预锻模膛不设置飞边槽。计算体积后查阅资料，选用坯料为直径ϕ65mm、长度355mm的棒料，选择50kN模锻锤进行加工。 02 有限元模型建立 扭矩板材料为30Mn，物理性能参数如表1所示。将三维造型导入模拟软件中，设置坯料的材料为AISI1030，温度为1100℃，并进行网格划分，设置成形方式为锤上模锻，其中上模在各工步的运动参数设置如表2所示，设置剪切摩擦系数为0.3，热传导率为50W/(m·℃)。 图4 各工步模拟结果 图5 终锻件贴模情况 扭矩板的成形工艺模拟结果如图4所示，其中终锻结束后锻件的填充性如图5所示，由图5可知，模腔整体填充性良好。各工步等效应力如图6所示，各工步中工件受到的等效应力均低于30Mn的屈服强度，由此验证了扭矩板的成形工艺的正确性。 （a）弯曲
（b）预锻
（c）终锻 图6 各工步等效应力
图7 终锻后折叠情况 终锻结束后锻件的折叠情况如图7所示1、2、3处，在扭矩板下部和肩部均有折叠的趋势，分析其原因为：①预锻工步中心圆盘的边缘处金属变形剧烈，出现较为尖锐的棱边，如图8所示1、2处，造成终锻时锻件出现折叠；②弯曲工步折弯角度过大，使预锻后坯料在底部和肩部产生尖角，造成终锻后锻件出现折叠；③预锻后飞边主要集中在扭矩板左右两侧，推测坯料直径过小而导致锻件中部材料不够，造成锻件底部容易产生折叠。
图8 预锻件出现的棱边
图9 终锻后实物折叠情况
图10 预锻件实物出现的棱边 模具结构改进前试模的扭矩板实物如图9所示，由图9可知，终锻件在底部出现2处折叠，折叠深度分别为0.3、0.4mm；优化前的预锻件如图10所示，由图10可知，预锻后中心圆盘边缘处出现较为尖锐的棱，与模拟结果吻合。 01 模具改进
（a）优化前
（b）优化后 图11 预锻模优化前后对比 根据上述原因①，采用适当增加预锻上、下模圆角的方式进行优化，考虑到增大圆角可能导致放置坯料时出现失稳的情况，将原有圆角R5mm增大到R15mm，优化前后的模具对比如图11所示。 02 工艺优化 根据上述原因②，将弯曲工步时的能量输出适当减小，从40%减小至10%，以减小弯曲后的锻件底部和肩部的角度从而减小折叠。 根据上述原因③，考虑在弯曲前增加一道镦粗工步，使坯料中间部位的材料相对增加从而减小折叠。 03 模拟验证
图12 优化后各工步模拟结果
图13 优化后终锻件贴模情况 根据模具结构改进与工艺优化后的模型及参数进行模拟，各工步模拟结果如图12所示。其中终锻后锻件的填充性良好，未发现折叠现象，如图13所示，且满足用户使用要求，可进行实际批量生产。
图14 优化后实物 模具结构改进及工艺优化后的扭矩板实物如图14所示，改进后的扭矩板满足成形质量要求，与模拟结果吻合，验证了数值模拟的可行性。 |
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