冷半精密锻造5052铝合金多排链轮流场三维有限元模拟
程旺军1，池成忠1，王永祯1，林鹏1，赵日红1，梁伟1,2
1. 太原理工大学 材料科学与工程学院，太原 030024；
2. 太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原 030024
摘 要：基于多排链轮新的齿形设计，提出5052铝合金多排链轮冷半精锻成形的新工艺。采用三维刚粘塑性有限元方法对5052铝合金多排链轮锻造过程进行数值模拟，分别得到其轴向UZ、径向UR和切向Utheta;的流动速度分布图和坯料流体在不同变形区的速度分量曲线。通过对比分析坯料速度分量曲线的变化，得到坯料流体填充凹模 型腔的速度分量关系条件。在坯料流体填充凹模型腔的过程中，发现切向速度Utheta;在成形过程中陡增，表明Utheta;是决定坯料流体能否充满凹模型腔的关键因素。
关键词：多排链轮；冷半精密锻造；5052铝合金；流动速度场；三维有限元。
1.引言
法兰多排链（图1）是普遍使用的机械设备的传动系统，如自行车、摩托车、坦克、刮板输送机和打印机，并主要用于轴间的回转运动的传动。链轮通常是由滚齿工艺形成的牙齿，然后通过热处理提高硬度，这种方式浪费材料，浪费时间，机械性能恶化，生产力降低。thipprakmas [ 1 ]提出的精冲工艺单排链轮制造。采用该方法处理工艺操作和生产时间减少。Legault等人[ 2 ]研究了铝合金金属粉末挤压制造和测试链轮包括压实、烧结和热处理。压实技术的房屋链轮在一个单一的密实的中风是由Takagi等人[ 3 ]和链轮的尺寸公差进行维护。然而，这些方法具有较高的生产成本，更大的能量消费，大规模推广和利用难度。研究和制造链轮受到来自各方面的许多研究人员的尝试，但没有尝试已经取得了迄今为止采用冷精锻技术生产的铝合金多排链轮。结构和植物应用中使用的铝合金有2类，非热处理和热处理。5052铝合金是铝镁合金minus;（Mg含量在2.2%minus;范围2.8%）和非热处理[ 4 ]。冷精锻多排链轮5052铝合金是一种严重的塑性变形的新的复杂的过程，它需要在一个较低的温度对坯料成形性能良好，合理的锻造工艺、模具的结构设计和不适当的边界非线性[5,6]。在一定程度上，锻造工艺可以确定多行链轮制造业的发展水平。最重要的是，多链轮的齿顶的传统齿形是尖锐的，这可能会导致在冷锻模具型腔的应力集中和裂纹。目前，没有实际生产应用成功的先例，。5052铝合金多排链轮冷锻工艺的试验研究还处于试验阶段。
速度场主要是用来研究负荷要求和样条和直齿圆柱齿轮精锻成形工艺参数[ 7，8 ]，3而在精密锻造充填模腔并确定工件的填充能力起着重要的作用。然而，它是非常困难的，得到的速度场的实验中，在不同的变形方向和特定的数值在不同的变形区。使用直锥齿廓，可以和misirli [ 9 ]发达的上限解的直齿圆柱齿轮的侧向挤压和该速度场不在锥形齿表面不连续。CHOI等10也为建立一个新的齿廓，包括渐开线曲线和圆弧角，而不是锥形轮廓，以获得更实际的方法来分析速度场，在直齿轮锻造。运动许可的连续速度场建立了赵等人[ 11 ]三维成形分析。通过建立数学和动力学模型，建立了一种新的非对称齿形齿轮的非对称齿形齿形，以减小滚子与链轮之间的速度场的影响。上述理论在多排链轮冷锻成形中得到实际应用。因为它是很难量化的具体数值，在铸坯的各种变形区。用有限元法和计算机技术的发展，数值模拟已经成为一种有效的工具来降低成本和时间来分析和量化速度场冷精密的多排链轮[ 13 ]锻造。
在目前的工作中，设计了一种新型的简单型的链轮齿形齿形，减小了模具型腔的应力集中和裂纹。进行严格验证的流速场分布进行数值模拟软件DEFORM-3D V6.1，5052铝合金的流动性和各地区的填充量。预计目前的工作对多排链轮在冷精密锻造的评估将是显着的。
图1多排链轮的照片
2.多排链轮锻造工艺
在一般情况下，锻件的锻造过程主要取决于材料的性能、几何形状、尺寸精度、表面质量、设备等。合理的几何形状可以提高锻件的尺寸精度，降低模具的应力集中和裂纹。在这项工作中，提出了新的简单的链轮齿形和新的锻造工艺。图2所示为多排链轮的零件图和锻件图。
2.1 齿形设计
一个多排链轮齿廓的标准（GB 08A）进行冷半精锻的详细参数在表1中列出的变形例。精密锻造模具齿形的正确设计不仅要保证良好的尺寸精度，而且要保证齿形简单，无应力集中和裂纹容易产生裂纹。多排链轮齿顶的传统外形是尖锐的，小的，具有很大的曲率，可能会导致冷锻模具型腔的应力集中和裂纹。一个新的链轮齿廓的发展是代表传统的齿廓，其中包括圆弧，常见的切锰和圆弧，如图3所示。在笛卡尔坐标系XOY，代表传统多排链轮齿廓。它是假定的链轮固定在给定的位置，在一个绘图单位的新的齿廓（pi;/ N）是由圆弧构成，常见的锰和圆弧切线。圆弧与圆弧的中心分别点O1和O2点。圆弧和同心圆。圆弧的中心是相同的齿顶O2的中心和中心点O1上的链轮节圆。半径的关系表示如下：
R1=r1 △1
(1)
R2=△2
备注：Delta;1，Delta;2加工余量；n是齿数；R1，R1和R2是齿半径。
2.2 锻造工艺设计
基于新型齿形的多排链轮设计，在图4中对三冷半精锻工艺进行了讨论。过程的优点和缺点是在表2中列出。作为一种阻力，多排链轮的凸缘上的凹槽嵌有从底模上的链轮锻件的分离。因此，很难脱模的模具型腔的模具运动方向一次。因此，半精锻过程在图4（b）包括加工空心管坯，坯链轮齿加工法兰的凹槽与操作简单新成立，更好的模腔填充，锻造多排链低的成本和较高的强度。工具结构设计如图5所示。
图2多排链轮的零件图（a）和锻件图（图b）（单位：毫米）
表1多排链轮参数
图3新型链轮齿廓（L1和L2的圆弧长度分别是HM和Nd）
图4三种多排链轮锻造过程的示意图
表2多排链轮锻造加工分析
图5冷半精锻模具结构示意图：1-弹簧；2-心轴；3-上模座；4-上模具；5-支撑板；6-链轮坯；7-喷射器；8-浮底模；9-下压板；10顶出器
3. 有限元模拟
3.1 铁制剂
基于刚粘塑性变分原理的三维有限元分析。通常情况下，刚性粘塑性变形力学解的控制方程不考虑体积力，而忽略了材料的弹性变形[ 15 ]。马氏变分原理得到的铁制剂，这是关系到的总势能。必须容许速度UI满足几何条件中的不可压缩性和速度边界条件。在锻造过程中且平衡状态下的刚性塑性体的有限元配方如下：
惩罚函数：
流量公式：
其中 和V分别是有效应变率、应变率、体积应变率、有效应力、运动许可速度场、力和铸坯的表面；如果是牵引力；K是一个分量不变大的正惩罚的体积应变率。
方程（2）和（3）是新的罚函数，它可以解释广义变分原理，可以利用边界约束转化为非线性代数方程组。方程（4）也可以被转换成在离散化过程基础上的非线性代数方程组，其中速度是任意变化的。
3.2 模型
基于以上的铁制剂，对具有流动性的5052铝合金链轮冷半精密锻造进行了验证，数值模拟得到的轴向、径向和周向充填模腔的速度场。用于空心坯料的约束分流孔，其初始几何尺寸如图6所示，用于保证模腔完全填充。基于隐式拉格朗日有限元代码，我们使用商业有限元软件Deform-3D V6.1来模拟冷半流体的速度场精密锻造。利用Pro/E软件建立4三维实体模型，进行组装，并导入DEFORM-3D软件在STL文件格式。完成锻造操作的三维有限元模型，如图7中构造的所示。
图6初始空心坯料的几何尺寸（单位：毫米）
图7半精密锻造有限元模型
3.3 材料
在大型变形过程中，如锻造和成形过程建模通常需要材料的流动应力被罚款过宽的温度和应变率在准静态形成过程的影响[ 16 ]。在这项研究中，空心管坯的材料为5052铝合金（化学成分见表3），从加工材料库选择。铸坯的材料流和行为可以表示为式（5）的样式，这是与应变、应变率和温度有关。但是由于室内温度的影响较小，本方程不够精确，不能反映5052铝合金的冷变形过程。
表3 5052铝合金的化学成分（质量分数，%）
5052铝合金在这项工作中适当的冷变形应该是4.0minus;100 sminus;1的速率和20°C初始温度，因为在不同流速下的验证依赖于材料数据和忽视室温，保证通用性和允许在材料模型比较的初始设置影响相同。为了提高本方程的精度，假定在高速成形过程中，20°C的材料温度几乎保持不变，那么考伯minus;西蒙兹模型（Cminus;模型）[ 17 ]用于拟合简单的弹塑性、应变硬化和5052铝合金的应变率硬化模型冷半精锻过程。它被定义如下：
sigma;是高速度的流动应力；sigma;0是在准静态过程中的流动应力；εamp;是应变率；ε是有效的应变；K和D都是材料常数和（）εF代表在应变率敏感性应变的影响。
基于不断的摩擦法，在有用的高压力和称为[ 18 ]的接触界面的摩擦和坯模具型腔被假定为剪切型。
摩擦因子m理论定义为公式（8），在环压测试下（R0＜P＜R1）。
Fs是剪切应力；K为剪切屈服应力；R1是环的外径；R0是环的内径；H和P是环的高度和中性面直径
在模具材料，钢坯材料，和实验条件都不考虑的情况下，特别是在复杂的摩擦条件下，以确定的摩擦系数来说，方程（8）是不够准确的，因为它只考虑了标准试样的几何尺寸。“国际米兰有限元模拟软件DEFORM-3D对象”窗口，提出了在不同成型条件下摩擦系数的推荐值。在室温下冷冲压模具，推荐值为0.12。因此，在这项工作中，摩擦系数为0.12。
3.4 参数
刚坯忽略弹性变形与四面体单元网格的自动生成。在 90 个步骤中每一步等于 0.2 m m 上, 模具运动位移进行了完整的半精密锻造模拟。上模和浮动的底模的速度是15毫米/秒。它是模具模型的刚性与网状网格模拟温度传导。坯料与模具间的体积变化进行补偿。表 4 列出了输入到软件的工作界面的有限元模型参数。
表4有限元模型参数
4 结果与讨论
4.1 钢坯变形分析
5052 铝合金多链轮冷半精锻过程可以分为四个阶段，即自由镦粗、灌装、充填和恢复阶段，如图 8 所示。在自由镦粗的阶段，作为上模行程增加，铸坯压缩轴向和径向凸起因为钢坯不接触的底模和流动在径向方向。在齿成形阶段，金属的流动将在底模，在模具和坯料之间的界面摩擦阻碍其塑性流动和非接触区域大小从而减小摩擦效应。在恢复阶段，右下角被形成一个甚至更早的阶段，与一些较大的粗糙边缘。径向流动阻力达到最大值和形状区域的填充变得更加困难。可以得出结论，利用DEFORM-3D有限元软件模拟链轮坯上面的变形是可行的。基于铸坯变形的可行性，采用圆柱坐标系的三维有限元（R，theta;，Z）系统是用来证明5052铝合金链轮坯流速场分布。
图8 不同阶段的成形型材：（一）自由镦粗阶段；（二）灌装阶段；（三）充填阶段；（3）恢复阶段
4.2 轴向速度分布
图9（a）、（b）和（c）表明，轴向速度的分布（UZ）在完成锻造工艺在不同的笔画。在自由锻，流动速度减小，从顶部到底部的钢坯，主
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