随着近年来人们整体生活水平的提高，对交通工具质量的要求越来越高，汽车在人们的日常生活中也受到普遍的欢迎。日前，为了提高车辆的行驶质量和生产效率，某自主品牌车型提出，将汽车后制动器安装地板的制造工艺由原来的铸成型工艺改为锻造成型工艺。通过对汽车后制动器安装地板产品图的分析，制定了相应的预设锻造工艺，并借助变形有限元仿真软件对预设成型工艺进行了模拟，发现预设工艺可以在现有设备的容量内使锻造饱满且不折叠。通过对预设工艺的模拟，可以更直观、准确地预测、分析和改进成型过程中存在的问题或缺陷，减少试模过程中的工艺变化次数，缩短产品的生产试炼周期。
成型工艺分析
通过对客户产品图纸的分析，发现该产品为不对称的五边形，不规则的薄壁产品，两角有两个圆柱形凸台，四边形台阶上有一个非中心孔，热处理后尺寸和硬度的技术要求符合有关规定，对产品的内部组织没有特殊要求， 图转换后的锻造图如图1所示，锻件的三维图如图2所示。
预设流程和分析
图例.1 锻造图
图 2 锻件的三维图
（1）由于公司现有设备的局限性，一种方案是在单点闭式压力机上进行镦粗和预锻过程，精密锻造设备采用电动螺旋压力机，另一种方案是多工位热模锻压力机;产品材质为40Cr，由于产品整体壁厚较薄，最薄的部分只有9mm厚，且为非机械加工表面，故不适合热模锻压锻;如果采用镦粗（镦粗）+预锻+终锻的成型工艺，在多个锻造过程的过程中，锻件的温度会降低，而当涉及到精密锻造时，锻件的温度可能会相对较低，导致型腔填充困难，精密锻造成型的吨位会增加， 这会影响设备和模具的寿命。
措施：锻造工艺采用横向镦粗+开放式终锻成型的方法，减少了预锻过程，减少了预锻过程中锻件与模具的热接触和过程传递过程中的热损失;镦粗将是棒材压平的水平镦粗，毛坯的外轮廓近似为方形，比较靠近精密锻造模腔，预设的工艺锻造步骤图如图 3 所示。
图 3 预设工艺锻造步骤图
（2）由于产品壁厚薄，在切边和冲孔时容易使产品变形，特别是对于非中心位置打孔。
措施：锻造后，增加成型工艺，采用两个对称的修边上下模，对冲压和修边锻件后产生的平面变形进行校正，使平面变形控制在技术要求允许的范围内。
（3）现有电动螺旋压力机模架的最大允许外径为φ230mm，由于锻件的形状轮廓为不规则的五边形，所以型腔中心只能在模心附近近似设计，以减少偏心载荷，所以脱模顶出机构（脱模困难），锁模不能增加（模具错位仅依靠模架的导柱导套为保证），而现有的冲孔、切边也由于模板尺寸的限制，无法实现冲孔、切边的过程。
措施：考虑到生产成本，扩大螺旋压力机模具和模套，压紧锥面，不改变模架;上下模腔深度约5mm，拔模斜度设计为5°，以保证脱模效果好;根据锻件的最大凸出截面积，飞边厚度约为2mm，但为了保证锻件能更好地脱模，减少模具和设备的损耗，将飞边厚度设计为3mm;由于顶出机构不能增加，为了便于现场夹紧，在飞边桥部分设有钳口（如图 4 精密锻造上下模所示）;为了更好地定位和减少冲孔时冲孔变形钢结构抛丸机图纸，将冲孔下模设计为仿形半围模（如图5所示），但由于公司主营产品，模架结构不能增加压边环，冲孔变形不能得到很好的控制;由于产品轮廓尺寸的限制，通过增加上下模的外径尺寸，并相应地扩大原模架下的模板，将其设计为局部避让压平模具（如图 6 所示在切边和下模上），减少切边时的变形， 并且修边模的刀刃间隙设计为一侧 0.6mm。
预设过程模拟
对预设工艺进行分析后，借助变形有限元仿真软件对预设工艺的成型过程进行模拟，将坯料尺寸设置为φ60mm×77.9mm，坯料啮合次数为41040，坯料加热温度为1160°C，上下模温为200°C，环境温度为10°C钢结构抛丸机图纸，热对流交换系数为0.02 N/s·mm°C，选用41Cr4作为模拟材料，镦粗速度设置为300mm/s精密锻造模具速度为350mm/s，摩擦系数为0.3，导热系数为5W/（m·K）。
图 4 精密锻造上下模
图 5 冲孔模具
图例 6. 修整上下模
镦粗过程的模拟：如图 7 所示模拟毛坯，当毛坯的镦粗高度为 24.1mm 时，温度场分布如图 8 所示，镦粗毛坯上下表面与模具的接触温度快速传递，温度约为 950 °C， 整体温度约为 1170 °C，镦粗的模拟形状近似为方形。
图 7 横向镦粗示意图
图 8 镦粗温度场
精密锻造工艺的模拟：通过模拟镦粗坯相对于精密锻造模腔的两个不同放置方向（如图9所示），发现锻坯相对于精密锻造模腔放置在不同的方向上，锻造吨位差异较大。
按图9左图放置镦粗坯进行锻造，当锻造凸台厚度为17.1mm时，所需吨位约为1360吨（如图10.a所示），锻件在成型过程中不缺肉、无折叠;锻坯按图9右图放置，当锻压台高度为16.9mm时，所需吨位约为880吨（如图10.b所示），锻件在成型过程中不缺肉，无折叠。
图 9 放置在精密锻造模具两个不同方向的镦粗坯示意图
图 10 精密锻造成型的吨位曲线
图例.11 镦粗放置模式示意图
通过对比发现，镦粗坯相对于图 11 放置在精密锻造型腔的方向上（即图 9 中的右图），成型时流阻较小，更容易成型，锻造吨位较低。
试样生产
试模
在试模过程中，根据预设的工艺流程，并对两次模拟结果进行验证，对镦粗坯在模腔内两个不同放置方向的成型进行了测试，1000t电动螺旋压力机的冲击能量为58%，按图9左图的放置方式成型后， 未加工面厚度 9.4mm，凸台厚度 18mm，飞边厚度 3.8mm，两个凸台鱼片鱼片缺肉;按图 11 的放置方法成型后，未加工面厚度为 8.9mm，凸台厚度为 17.4mm，飞边厚度为 3.2mm，锻件成型饱满，不缺肉;但由于实际生产中模具润滑、设备和环境因素的影响，摩擦系数和导热系数与模拟中设置的值不同。实际锻造结果也与模拟结果不完全一致。
试模过程中会出现以下情况：
（1）棒材实际加热温度范围在1130~1185°C之间，由于横向镦粗高度低，在镦粗与精锻之间的传递过程中，镦粗坯的表面温度迅速下降，容易形成氧化皮，导致终锻后锻件表面质量不足;镦粗高度提高到33mm后，表面氧化情况得到改善，锻造中不缺肉。
（2）由于没有顶杆，脱模剂喷涂不均匀，样品前5~10片精密锻造难以脱模，两个凸台鱼片处缺肉，调整脱模剂在上下模上的喷涂方向后，脱模情况和缺肉明显改善。
（3）冲孔时，发现冲孔后锻件平面变形大，肉眼可见，导致变形锻件在切边时不能很好地定位，因此暂时决定取消冲孔，通过后期机械加工车削内孔改为内孔;取消冲孔过程后，修边后的锻件残余飞边非常少（修边后的锻件如图 12 所示）;通过试生产调整15件左右后，现场各环节参数基本稳定，螺旋压力机的打击能量为58%，锻件未加工面的厚度保持在8.9~9.2mm之间，切边后锻件平面变形在0.30~0.45mm之间;锻件冷却后，在400T压力机上冷定型平面变形小于0.3mm，符合要求。
（4）由于模具尺寸的限制，无法在模具上增加导向，仅靠模架和设备保证锻件错位是难以实现锻件错位的，因此上下模错位在0.3mm左右， 这在技术要求范围内是可以接受的。
图 12 修边后的锻件
锻造后试样检查
锻件样品生产结束后，质检员取样对样品进行全尺寸检验和酸洗实验，样品检验结果均符合图纸要求，酸洗后锻件表面不缺肉和褶皱，酸洗前后样品对比图如图13所示。
图13 酸洗前后样品对比
样本结果
锻样经质检员检测后，样品符合图纸要求，对一批300个样品（左右对称件150件）进行抛丸处理，流入下一道工序进行机械加工，经过机械加工和机加工全尺寸检验，以及表面处理验证合格， 样品提交给主机厂。
结束语
通过借助变形有限元仿真软件对预设过程进行模拟，可以预测某些生产中可能出现的问题或缺陷，验证预设过程的可行性，减少实际生产试模环节中的工艺变化，提高试模过程中工艺参数控制的方向性， 并且研发周期缩短了。但由于实际生产中受环境因素和人为因素的影响，实际锻造结果与模拟结果并不完全一致，但具有很大的参考意义。
