中国汽车工业的发展对高品质、低成本锻件的需求不断上升。差速器壳体(见图1)是一个重要的汽车零件，其形状复杂，外侧有8个花瓣状、用于螺钉固定的凸台，且凸台边缘圆角较小(R3mm)；锻件内侧为大落差、过渡圆角很小的台阶深腔。这就造成该零件尺寸精度和形位公差要求高，锻造工艺性能差。目前，我公司在80kJ电液锤上采用单模膛、开式模锻工艺生产该差速器壳体，发现模具局部温度上升明显且模具磨损速度较快(见图2)；模具花瓣部位和型腔底部易出现热应力疲劳裂纹(见图3)；模具型腔下侧圆弧过渡靠下部位则容易出现龟裂(见图4)，从而导致模具过早失效，严重影响锻件品质和生产连续性。
为提高锻件品质和模具寿命、降低生产成本，本文运用先进的锻造工艺数值模拟技术，在研究锤上模锻工艺的基础上，开发了该锻件在25MN高能螺旋压力机上两工步成形工艺。 一、锤上模锻工艺分析 80kJ电液锤工作台面较小，只能在下模一侧设置简单的镦粗模膛，以方便毛坯在终锻模膛中定位。为了研究锻造过程中模具状态的变化，我们首先分析差速器壳体锤上模锻工艺过程，找出工艺中存在的不足，为下一步工艺优化提供理论支持。1．建立锻造工艺分析模型
差速器壳体8个花瓣状凸台呈对称分布，因此选择其中一个花瓣的1／8作为分析对象建立分析模型，分析过程中需考虑模具温度变化(即模具划分网格)。图5为终锻工步分析模型，终锻工步分析输入参数如下表所示。
nextpage
2．模拟结果分析图6为终锻工步中锻件成形过程，其中深色区域为金属与锻模型腔接触区域。由图6可知，毛坯上部受冲头／上模冲击作用，金属先向充型阻力最小的下模底部型腔流动，受下模顶出杆阻碍后向花瓣凸台流动；随着上冲头下压，金属首先充满底部型腔，与此同时顶部金属流向飞边桥部形成飞边，型腔内部金属在三项压应力作用下充满花瓣凸台，最后多余金属经飞边桥部流出，上下模合模。
图7为终锻结束时上模模具温度分布。由图7可知，上冲头／上模的上下圆台与金属接触时间长，因此该部位温度_l二升显著；上冲头／上模的上圆台外侧和冲头顶部金属流动顺畅，流动过程中金属剧烈摩擦型腔表面，该部位模具磨损速度较快。另外，模具长时间与金属接触，模具表面温度变化幅度大，热应力比较高，磨损损伤部位受热应力和锻造载荷作用，易出现热疲劳龟裂，与实际模具失效形式相吻合(见图2)。
图8为终锻结束时下模温度分布。由图8可知，下模花瓣凸台型腔两侧周围、顶出杆部位和底部型腔部位与金属接触时间长，因此该部位模膛表面温度上升明显。由于润滑剂喷涂设备保养不好，雾化效果较差，润滑剂易集中喷涂在某一个较小的区域内且用量过多，因此该部位温度快速变化且幅度较大，热应力较高。花瓣凸台型腔边缘(R3mm，图8．4处)和型腔底部(R3mm，图8B处)圆角较小，受模具加工设备和工艺限制，精铣未完全去除的电火花烧蚀层成为热应力疲劳薄弱区域。因此升温较高的该区域在润滑剂局部强烈冷却作用下，容易在较强的周期性热应力和锤头冲击导致的模具周期性机械应力作用下开裂，导致馍具过早失效(见图3)。受润滑冷却作用不均匀影响，模具型腔下侧圆弧过渡靠下的部位长时间受热，且该部位长时间受金属及界面夹杂物(氧化皮和模具表面脱落颗粒物)磨损，回火软化的模膛表面(见图4)容易出现热龟裂纹。据统计，差速器壳体下模失效部位均集中于上述两个部位。
二、模锻工艺改进及分析 1．工艺改进 由分析结果可知，花瓣凸台边缘圆角处和型腔底部圆角处几何尺寸较小，电火花加工造成的模具表面烧蚀层难以去除，成为模具表面强度薄弱位置。生产过程中在周期性热应力和机械应力作用下，该薄弱部位首先开裂导致80kJ锤上模锻过早失效。因此，对25MN螺旋压力机上的模锻工艺从模具结构、模具加工和润滑冷却方式进行了如下改进： nextpage(1)提高预锻成形比例 由于终锻工步中上模圆台边缘内扣，该部位金属流动缓慢，基本可视为毛坯金属流动的分界区域。因此，以此为分界，将预锻件分为两个部分(见图9)。按照体积不变原则，预锻件与终锻件相应部位体积相同。
(2)改进圆角处加工工艺 ①精铣前手工清理圆角，并使用专用工具强化该部位表层，形成压应力层，提高模具抗热开裂能力。②改进模具精加工工艺，提高边缘圆角处加工技术水平，彻底除去电火花加工表面烧蚀层，延缓模具在热应力作用下开裂的速度。 (3)改进润滑工艺，提高润滑冷却效果选择更加合理的喷雾润滑工艺，做好设备养护工作，使锻模表面冷却尽量均匀，避免局部冷却过快，出现过高的热应力，从而延缓模具开裂。2．新工艺模拟及结果分析
图10、图11分别为新工艺预锻和终锻工步结束时上、下模具的温度分布。与原工艺分析结果对比可知，新工艺一方面能尽量使预锻和终锻工步中金属流动速度平滑，减小模具磨损速度；另一方面提高了预锻成形比例，使终锻模承担精整任务，缩短了终锻模与金属接触时间，锻模温度显著下降。经生产检验，采用新精铣加工工艺去除花瓣凸台圆角处电火花烧蚀层后，该部位再未发生开裂，说明电火花烧蚀层的确是模具结构上的薄弱环节。 由分析结果可知，与原80kJ工艺相比，新工艺的磨损速度和热应力集中都比较小，模具热应力开裂和热龟裂可明显后延，模具寿命明显上升。 三、结语 在80kJ电液锤上差速器壳体锻模失效分析的基础上，开发了25 MN螺旋压力机高寿命差速器壳体模锻工艺。模拟结果分析显示，通过优化预锻工艺，新工艺能有效地减小终锻工步模具与金属间接触传热和摩擦，降低终锻模表面热应力和磨损速度，可增强模具抗热应力开裂能力和抗热龟裂能力，能提高模具使用寿命。