雙凸模冷徑向擠壓十字軸的模擬

嚴健鳴，王成勇，朱取才，周慧杰

(合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥 230009)

十字軸，又稱十字節或萬向接頭，是汽車動力系統中實現動力角度傳遞的關鍵零件之一，在汽車的動力傳動結構中裝配于萬向節組件使用。

目前市場上十字軸產品大多采用模鍛和胎模鍛成形方法得到[1－4]，其主要工藝流程包括:下料、加熱、預成形、成形、切邊去毛刺以及后續的機加工直至成品。十字軸生產的傳統工藝中，存在生產工序繁多、材料利用率低和生產成本高等缺陷，這些都不符合構建資源節約型和環境友好型社會的要求，因此生產企業希望將生產方式改為冷擠壓加工方式，多道次擠壓改為單一道次擠壓，以達到高效、低耗、低成本、環保的目的，文中基于這個目標嘗試對單一道次十字軸擠壓成形進行有限元模擬。

針對十字軸傳統制造工藝存在的缺點，近年來國內外的一些汽車公司及科研單位為滿足市場需求，研究了將冷擠壓成形技術應用到十字軸類的零件生產中，取得了進展并獲得了可觀的經濟效益。佳木斯大學的金廣柱等[2]針對十字軸的結構特點，設計了十字軸復動成形工藝，應用Deform軟件對不同成形方案的金屬流動情況進行數值模擬，確定了最優的工藝方案，并通過物理實驗證明了工藝的可行性。上海交通大學的左旭[3]等論述了徑向擠壓中金屬材料的流動規律，這些流動規律為徑向擠壓工藝方案的設定和徑向擠壓工藝有限元的模擬提供了一種新途徑。Beong Du Ko等人依據模具結構不同，對金屬在型腔內的徑向流動情況做了分析，分析了凹模圓角、擠壓速度以及擠壓比在金屬成形過程中對成形情況的影響[4]。文中將借助有限元數值模擬方法，對十字軸一次性冷擠壓塑性成形工藝方法做進一步的分析研究，主要分析了金屬徑向流動規律以及凸模加載載荷分布等，預測可能產生的缺陷，為今后的實際生產提供理論依據。

1 零件結構分析

十字軸冷擠壓零件如圖1所示，零件軸臺四周有4個軸肩，在擠壓中，需要施加較大的載荷使金屬徑向流動充滿整個零件的軸肩[5]。軸肩為大變形區，金屬流動過程中，在凹模圓角過渡處存在較大的摩擦，軸肩部分易出現應力集中和裂紋缺陷。根據零件的對稱性，采用對分凹模、雙沖頭等速反向擠壓。為了避免毛刺的產生，凸模直徑與零件軸臺直徑的尺寸一致，設計為φ40 mm。零件的體積V=9.94×104mm3，軸肩直徑 d= φ20 mm。采用 φ40 mm的圓柱體坯料一次性擠壓。計算坯料并取坯料高度H為79 mm。以4個軸肩的截面積之和比上坯料底面積為擠壓比η:

圖1 十字軸零件Fig.1 Universal joint pin drawing

在Pro/E三維造型軟件中建立坯料、沖頭和凹模的模型。為了節約模擬時間，根據對稱性，將圓柱體坯料、沖頭以及凹模各取1/4模型。將此模型導入Deform-3D軟件中，如圖2所示。模擬參數設置見表1。

圖2 十字軸冷擠壓有限元1/4模型Fig.2 Finite element quarter model of universal joint pin

表1 數值建模參數Table1 Numerical modeling parameters

2 有限元模擬結果分析

2.1 擠壓成形過程與行程載荷曲線

擠壓成形過程中，載荷的主要變化分為3個階段，如圖3所示。

第1階段為鐓粗初始階段，坯料由圓柱體鐓粗為鼓形體，如圖4a所示。由于初始階段，坯料與凹模的接觸面較小，阻力也較小，所以載荷較小，隨著壓下量的增加，與凹模的接觸面積增加，載荷也有所增加。

圖3 凸模加載載荷分布Fig.3 The distribution of applied load of punch

第2階段為軸肩成形階段，如圖4b所示，坯料在壓力下開始向4個軸肩流動，金屬材料進行徑向流動，沖頭載荷急劇增大。當金屬進行徑向流動后，軸肩金屬只作剛性平移運動，由于坯料與凹模的接觸面積沒有明顯變化，載荷比較平穩，處于緩慢上升狀態，載荷為570 kN左右，所以實際生產中載荷大約為2280 kN。

第3階段為擠壓結束階段，如圖4c所示，零件最終成形。軸肩最前端部分的金屬由于接觸到凹模壁，阻力陡然增大，達到4000 kN左右。由于采用的是閉式凹模，所以導致終了階段的凸模載荷突變。這里可以通過優化模具結構，在模具軸肩尾部設置合適的溢流槽來容納多余的金屬，降低金屬流動阻力，減小載荷，減小擠壓機的噸位[6]。

圖4 成形過程Fig.4 Forming process

從成形結果可以看出，零件在凸模與凹模配合處出現少許毛刺，如圖4c中A處，原因是成形終了階段金屬徑向流動阻力加大，少量金屬從凸模和凹模的縫隙處溢出，形成毛刺。這些少量的毛刺在后期可以通過打磨去除，由于毛刺只存在于軸臺頂端，并不在零件的工作端軸肩，因此不會影響產品的使用性能。

2.2 擠壓過程中的金屬流動情況

對工件進行坐標網格劃分以觀察金屬流動規律，如圖5所示。從充型結束時的網格分布圖中可以看出:隨著變形量逐漸增加，由于采用雙向等速擠壓，金屬的變形是對稱的，金屬變形主要集中在十字軸軸肩成形處，工件表面由于摩擦的作用，變形量也明顯小于中心部分。工件的中心部分存在金屬流動死區，呈橢球形，此處的金屬幾乎不做任何移動，速度接近為0。由于后續的機加工較少，因此工件內部完整的流線將不會遭到破壞，產品的性能將會得到提高。

圖5 變形后網格的變化Fig.5 Grid changes after deformation

為了進一步研究金屬徑向流動規律，在充型結束時，從零件中心部分沿x方向設100個追蹤點，如圖6所示。依據這些點在Deform-3D軟件的后處理中提取金屬在即將充型結束時的徑向流動速度數據，然后建立曲線圖，如圖7所示。

從圖7中可以看出，零件的中心部分金屬徑向流動速度為0。越靠近軸肩，金屬徑向流動速度越大，在軸肩根部附近，金屬徑向流動速度達到最大。這是因為越靠近軸肩部分的金屬徑向流動阻力越小，速度越大，到達根部時速度達到最大。在軸肩部分，金屬由于只做剛性運動，流動速度比較平穩;軸肩尾部的金屬接觸到凹模壁時，由于阻力作用，金屬徑向流動幾乎停止。

圖6 x方向點追蹤設置示意Fig.6 Schemes of x direction point settings

圖7 金屬徑向流動速度Fig.7 Metal radial flow velocity

2.3 十字軸冷擠壓中等效應力分析

如圖8所示，從冷擠壓成形的十字軸內部等效應力分布云圖可以分析看出:在整個成形過程中，工件內部的最大等效應力為827 MPa，其中十字軸的軸肩等效應力小于800 MPa，而應力最大處出現在工件與擠壓沖頭接觸的弧形部分。由于在軸肩根部容易出現應力集中，所以在此處易出現裂紋等缺陷。在軸肩表面設置一追蹤點，進行擠壓過程中等效應力追蹤分析。由圖9曲線可知:在整個擠壓過程中，隨著金屬慢慢向軸肩流動，金屬的等效應力逐漸上升，上升到一定階段，等效應力的變化趨于平緩。當金屬流動至凹模圓角處時，該點處的等效應力達到最大，為770 MPa左右。之后，該點的等效應力小幅下降。在整個成形過程中，除了開始加載階段，零件內部等效應力的變化較平穩，都未超過材料的抗拉強度，在模擬結果中也未出現裂紋(如圖4所示)，預示著在該工藝方案下，應力集中處不會出現裂紋等缺陷。

圖8 等效應力分布云圖Fig.8 The distribution of equivalent stress

利用圖6所示軸肩中心的追蹤點，分析十字軸零件充型結束時內部等效應力狀況。依據這些點得到等效應力分布曲線，如圖10所示。結合圖4，在充型即將結束時，此時凸模施加的載荷達到最大，因此凸模下端的應力比較大，而在軸肩的尾部由于金屬已經接觸到凹模壁，等效應力增大，在此兩者之間的金屬由于沒有受到直接的載荷作用，應力較小，與應力最大處相差達500 MPa左右。

圖9 根部的等效應力點追蹤Fig.9 The change of equivalent stress in the roots

圖10 零件內部等效應力分布Fig.10 The distribution of internal equivalent stress

3 結語

基于上述模擬結果和分析得出以下結論:在該工藝方案下，十字軸一次性冷擠壓成形零件沒有缺陷。徑向擠壓中，金屬流動比較困難，所需的載荷比較大，尤其是后期的載荷急劇增加，應該加以控制。零件整體的充型性比較好，零件軸肩的金屬流動速度最大，而零件在軸臺中心部位存在金屬流動死區。零件的軸肩部分一直處在一個較大應力的環境中，因此擠壓過程中，軸根具有明顯的裂紋傾向，在實際生產中應該得到足夠重視。

[1]杜照國.十字軸模鍛工藝設計[J].模具技術，2000(4):57－60.

[2]金廣柱，王繼明.基于DEFORM的十字軸復動成形工藝試驗研究[J].佳木斯大學學報，2009(6):893－894.

[3]左旭，吳公明，阮雪榆.新式十字軸徑向擠壓模具[J].精密成形工程(金屬成形工藝)，1996，14(2):13－17.

[4]KO Beong Du，KIM Dong Joon，LEE Soo Hyung.The Influence of Die Geometry on The Radio Extrusion of Processes[J].Materials Processing Technology，2001(113):109－114.

[5]胡國安，夏巨湛，王英.十字軸徑向擠壓可分凹模設計[J].模具工業，1992(12):41 －45.

[6]郭坤龍，辛選榮，劉汀，等.一種三叉軸閉塞擠壓力的計算方法[J].熱加工工藝，2010，39(5):91 －94.