法蘭軸熱擠壓工藝設計及分析

馬勇，彭程，桂偉，趙亞培，魏玉鳳

（合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥 230009）

法蘭軸是汽車傳動系統中重要的軸類零件，主要作用是支持作回轉運動的傳動零件并傳遞運動和動力，在惡劣的工作環境中需承受交變載荷，在生產過程中又要經過熱處理、鍛造、磨削等易引起各種缺陷的工步［1—2］。傳統的成形工藝材料利用率低、機械加工余量大、鍛后工步多、生產周期較長等［3—4］，這些缺點使得生產成本很高，有礙企業發展。目前，法蘭軸大多采用模鍛工藝，如閉式模鍛、擠壓等［5—7］，可以減少能源消耗、提高鍛件表面及內部質量，從而達到提高產品質量，降低產品成本的目的。

本課題研究的某型號法蘭軸是一個復雜的杯桿復合成形件，法蘭臺階和內腔臺階數量多、截面變化劇烈，較難成形。對該法蘭軸采用熱擠壓工藝，根據擠壓件形狀結構設計了合理的工藝方案，為企業生產提供參考。

1 熱擠壓成形結構分析

法蘭軸是一個復雜的杯桿復合成形件，鍛件圖如圖1所示。該法蘭軸可劃分為3個部分:①杯口的法蘭部分，用于連接汽車傳動軸;②復雜異型內腔的杯形結構;③端部的軸桿，與變速箱聯接起到傳遞扭矩的作用。

法蘭軸屬杯桿復合成形鍛件，其法蘭及內腔部位變形最大，臺階數量多，截面變化劇烈。由金屬鐓粗時的變形規律可知，臺階部位屬于難變形區域，存在“死角區”，難以充滿模腔;法蘭部位變形量大，容易在其外表面出現鍛造開裂，臺階圓角過渡處出現裂紋、折疊等鍛造缺陷［8—14］。根據法蘭軸結構及工藝分析，擬定工藝方案:下料→正擠軸部→頂鐓頭部→反擠法蘭及內腔，如圖2所示。坯料選擇φ53 mm×80 mm的圓棒料，材料利用率為:V鍛件/V坯料=91.5%，擠壓設備選用10 MN的熱模鍛壓力機，初始擠壓溫度為1100℃。

圖1 法蘭軸鍛件尺寸Fig.1 Forging figure of the flange shaft

圖2 法蘭軸的成形方案Fig.2 Forming program of the flanged shaft

2 有限元模型建立

法蘭軸的材料為45號鋼，在DEFORM-3D中選用AISI-1045［1650-2200F（900～1200℃）］，凸模和凹模預熱到300℃，模具為剛性體，熱傳導系數為11 W/（m2×K），擠壓速度為1 mm/s。對于摩擦選擇塑性剪切摩擦模型，坯料擠壓前經過磷皂化處理，摩擦因數為0.3。由于零件為旋轉體，所以取其1/4進行模擬計算，網格數為1.2萬個，且網格畸變較大時系統自動重劃網格，增量步為每步0.2 mm。法蘭軸成形工藝各工步的模具三維圖如圖3所示。

圖3 模具三維圖Fig.3 Three-dimensional figure of the mold

3 成形過程分析

3.1 工步一

圖4a為工步一正擠軸部的成形效果圖，坯料在成形過程中向模具兩邊流動而溢出，產生鐓粗現象，這是因為坯料在臺階部分沿徑向受阻力過大，導致受力不均勻，而使坯料向橫向流動。因此考慮在凹模上加套環，靠套環的徑向壓力來防止坯料在成形時的溢出鐓粗［15］，其效果如圖4b所示，此時鍛件充滿情況良好，無溢出現象。

圖4 工步一模擬效果Fig.4 Simulation effects of the first step

3.2 工步二

圖5為工步二頂鐓的成形效果圖，法蘭軸上部鐓粗的同時形成較淺的型腔，在型腔各區域都能順利地完成金屬填充，臺階部分圓滑，鍛件成形效果良好。

圖5 工步二的模擬效果Fig.5 Simulation effects of the second step

3.3 工步三

圖6為工步三反擠法蘭及型腔的成形效果圖。從圖6a可以明顯看到，法蘭頭部在成形過程中產生嚴重的折疊，這是由于頭部成形時擠壓失穩造成的。將凸模頭部直徑由75 mm增至80 mm，內腔臺階直徑分別加2 mm，其成形效果如圖6b所示，法蘭頭部未出現折疊現象，但在凸凹模間隙中產生了很明顯的毛刺，臺階部位的充滿情況也不好。將凸模頭部直徑改為76 mm，內腔臺階直徑分別加1 mm，其成形效果如圖6c所示，型腔的各個區域都能順利地完成金屬填充，臺階部分填充效果良好，鍛件成形效果較好。

圖6 工步三的模擬效果Fig.6 Simulation effects of the third step

4 結果分析

等效應力應變能夠判斷金屬成形過程受力情況及變形程度［16］，為了研究成形過程等效應力應變分布及變化情況，在每個工步鍛件上取若干點進行追蹤記錄，得到點追蹤應力-時間曲線。

4.1 應力分析

4.1.1 工步一

圖7為工步一的等效應力分布。由圖7a可以看出，法蘭軸在臺階部位形狀發生變化，軸桿尾部直接與凹模底部相接，這兩處的等效應力都較大，而頭部和軸桿上部的等效應力相對較小。由圖7b可以看出，在擠壓開始階段，整個工件主體的等效應力整體呈上升趨勢，當50 s之后，點P1的等效應力不斷變小，點P2，P3的等效應力先變小后又持續增大，點P4的等效應力一直處于較大值。這是由于點P1金屬變形量較小，點P2，P3處金屬與凹模接觸面積小且變形劇烈，點P4一直與凹模底部相接，始終處于高壓狀態。

圖7 工步一的等效應力分布Fig.7 Equivalent stress distribution of the first step

4.1.2 工步二

圖8為工步二的等效應力分布。由圖8a可以看出，法蘭軸在臺階部位和軸桿尾部的等效應力明顯較大，法蘭軸軸桿不發生變形，因此等效應力均勻且較小。由圖8a可以看出，法蘭軸頂部點P1，P2，P3，P4的應力曲線較為平滑，應力值均勻升高。P5處的應力一開始變化很小，在約80步左右，增長速度加快，這是因為凸模在擠壓內腔臺階時，在徑向施加的力增大，從而使軸桿所受到的應力增大。

圖8 工步二的等效應力分布Fig.8 Equivalent stress distribution of the second step

4.1.3 工步三

圖9為工步三的等效應力分布。由圖9a可以看出，只有法蘭軸第一個臺階處型腔的等效應力最大，這是因為成形過程只有這里的金屬發生了較大變形。由圖9b 可以看出，點P1，P2，P3，P4的應力均勻升高，P5處的應力出現波動升高，這是因為工步三金屬變形流暢，變形不劇烈。

圖9 工步三的等效應力分布Fig.9 Equivalent stress distribution of the third step

4.2 應變分析

4.2.1 工步一

圖10為工步一的等效應變分布。由圖10a可以明顯看出，法蘭軸軸桿的應變值明顯大于其他部位，這是因為軸桿處直徑減小，發生了較大變形。由圖10a可以看出，法蘭軸在擠壓過程中，整個工件的等效應變在50 s左右開始呈上升趨勢，此時開始成形臺階，并且點P3，P4的等效應變變化大，說明在軸桿處工件變形量較大。

圖10 工步一的等效應變分布Fig.10 Equivalent strain distribution of the first step

4.2.2 工步二

圖11為工步二的等效應變分布。由圖11a可以看出，法蘭軸型腔內的應變值明顯大于其他部位，該工步其他部位并沒有發生大變形。由圖11b可以看出，點P3，P4處的應變變化較大且應變值大于點P1，P2，P5處的應變，而這兩點所處的位置正是法蘭內腔臺階處，相應的金屬變形量大;點P1，P2，P5處的應變值較小且變化不大，說明這三處的金屬變形量小。

圖11 工步二的等效應變分布Fig.11 Equivalent strain distribution of the first step

4.2.3 工步三

圖12為工步二的等效應變分布。由圖12a可以看出，法蘭軸型腔臺階處的等效應變較大，這是法蘭軸最后成形的部位，變形量較大。由圖12b可以看出，點P1，P2，P3，P4處的應變值不斷增大，這是因為在擠壓成形型腔過程中，這些部位都發生了較大變形，出現了3個臺階，型腔尺寸變大，壁厚明顯減薄。

圖12 工步三的等效應變分布Fig.12 Equivalent strain distribution of the first step

5 結論

以法蘭軸為研究對象，對其進行了結構及工藝分析，擬定工藝方案并模擬成形過程，根據其效果，分析了缺陷原因并作工藝優化，確定了最終工藝方案，最終可得如下結論。

1）法蘭軸屬杯桿復合成形鍛件，其法蘭及內腔部位變形量大，臺階數量多，截面變化劇烈。根據工藝分析，擬定法蘭軸成形工藝方案為:下料→正擠軸部→頂鐓頭部→反擠法蘭及內腔。

2）對其成形過程進行有限元模擬及改進，改進后型腔的各個區域都能順利地完成金屬充型，臺階填充效果較好，無毛刺、折疊等缺陷，鍛件整體成形效果良好。

3）對改進方案的模擬結果進行應力應變分析，分析了每個工步擠壓件應力應變分布及變化情況，為實際生產提供理論指導。

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