搖臂軸閉塞式成形工藝數值模擬及模具設計

王貴

(江門市興江轉向器有限公司，廣東江門 529030)

搖臂軸閉塞式成形工藝數值模擬及模具設計

王貴

(江門市興江轉向器有限公司，廣東江門 529030)

汽車搖臂軸作為轉向系統重要的傳力零件，要求具有較高的力學性能。提出采用閉塞式成形方法進行汽車搖臂軸的鍛造成形，并通過有限元方法模擬了幾種工藝方案下的閉塞式成形過程，獲得了各種工藝方案的汽車搖臂軸閉塞式成形載荷及鍛件損傷分布等，分析給出了可行的工藝方案，設計了汽車搖臂軸閉塞式成形模具。經過實際生產，獲得了滿足要求的汽車搖臂軸閉塞式成形鍛件。

汽車搖臂軸；閉塞式成形；有限元模擬；模具設計

0 引言

汽車搖臂軸是多種車型轉向系統中的傳力零件，要求具有較高的力學性能。由于鍛造成形能夠獲得完好的金屬流線并能提高材料利用率和生產效率，因此傳統的機加工方法逐漸被鍛造成形工藝取代。圖1為某一汽車搖臂軸的鍛件圖，鍛件輪廓形狀為整體長軸狀，總長度為280 mm，中上部齒輪部分大徑為64.9 mm，帶有5°的錐度，中間齒輪偏心較大，聚料較困難[1]。由于鍛件精度要求較高，而且形狀比較復雜，文中提出采用閉塞鍛造工藝進行該汽車搖臂軸的成形，以提高齒形的精度，實現鍛后齒形的少無加工[2-3]。

1 擠壓過程數值模擬

采用Deform體積成形專用軟件對搖臂軸閉塞式成形過程進行數值模擬，分析確定其坯料規格、預成形形狀、終成形充滿的工藝條件、模具合理結構及其彈性變形量，為采用閉塞式成形工藝生產該汽車搖臂軸提供參考依據。

由于零件為左右對稱的形狀，而且其變形難度主要集中在中上部的齒輪處，其受力變形情況也具有左右對稱性，因此，取其軸截面的1/2進行模擬。有限元模擬分析模型如圖2所示。圓柱形坯料網格數量約為70 000，定義材料為AISI4120[12]，對稱面施加約束，模具擠壓速度為3 mm/s，坯料與模具之間的摩擦因數為0.3。忽略溫度變化，選取不同的始鍛溫度及不同的模具擠壓方式，具體模擬方案如下：方案一：上下凸模雙動，1 100 ℃；方案二：上下凸模雙動，900 ℃；方案三：上凸模單動，1 100 ℃；方案四：上凸模單動，900 ℃。

上述幾種方案的搖臂軸閉塞式成形模擬結果如下：

方案一：上下凸模雙動擠壓成形，溫度設置1 100 ℃，材料設定不變，上下凸模運動速度為3 mm/s。成形過程中的行程載荷曲線如圖3所示。可以看到：上凸模整個行程過程中受到的載荷較大，忽略充滿時刻急劇增大的載荷，上凸模承受最大載荷約1 790 kN。 圖4為成形過程結束時鍛件齒形部分的損傷圖，該圖反映了分析區域在成形過程中發生損傷的可能性大小，可以清楚地看到：齒輪上端頭部和下端尾部的損傷值較大，最大損傷值為0.563。

方案二：上下凸模雙動擠壓成型，溫度900 ℃，材料不改變，上下凸模運動速度為3 mm/s。模擬結果顯示：上凸模承受最大載荷為2 800 kN ，明顯高于1 100 ℃時的成形載荷。鍛件損傷分布及最大損傷值與1 100 ℃時較為相似。

方案三：上凸模單動擠壓成形，溫度設置1 100 ℃，材料設定不變，上凸模運動速度為3 mm/s。圖5為行程載荷曲線，可以看到：上凸模承受最大載荷約2 070 kN ，明顯高于雙向擠壓時的模具載荷。從圖6可見：盡管損傷分布規律與雙向擠壓類似，但單向擠壓的最大損傷值為0.658，高于雙向擠壓，也就是說，單向擠壓對鍛件端部質量影響較大。

方案四：上凸模單動擠壓成形，溫度900 ℃，上凸模運動速度為3 mm/s。模擬顯示的上凸模承受最大載荷為3 400 kN，很明顯比1 100 ℃時載荷大。鍛件最大損傷為0.658，并且區域較平均，與1 100 ℃單動時的損傷幾乎相同。

從上述4種不同的分析方案可以看出：在合理的工藝條件下，閉塞式成形方法都可以保證搖臂軸的充滿成形；較高的始鍛溫度可以降低成形載荷，雙向擠壓較單向擠壓可以減小鍛件損傷；由于損傷值較小，各種工藝條件的損傷值都小于1，遠遠低于碳鋼材料引起質量問題的臨界損傷值。所以，為使模具設計更為簡單，可以采用單向擠壓成形方式進行模具結構設計。

2 模具設計

對該搖臂軸鍛件，作者提出采用閉塞式成形，其成形過程與擠壓類似，其模具結構可參考液壓機上模具結構進行設計[4]。與擠壓成形不同，閉塞式成形時坯料承受三向壓應力狀態，變形結束時模具承受較大的載荷，因此，凹模應采用多層組合結構[5-6]。凸模按照正擠壓凸模的結構進行設計。

為便于汽車搖臂軸鍛件成形后出模，凹模應分為上下兩部分分體結構。為防止成形過程中因坯料對凹模作用力導致上下分體凹模分開，應對凹模施加一定的合模力。文中采用彈簧力在凹模合模后隨著凸模的下行擠壓，通過壓板施壓彈簧作用在上半個凹模上，提供必要的合模力以防止坯料流入到上下凹模之間產生飛邊。

搖臂軸閉塞式成形模具結構如圖7所示。圖8為采用閉塞式成形工藝生產的汽車搖臂軸鍛件。

3 結論

針對汽車搖臂軸鍛件成形精度與質量要求，提出采用閉塞式成形工藝方法進行搖臂軸的鍛造成形，對不同工藝條件下的成形過程進行了數值模擬，設計了汽車搖臂軸閉塞式成形模具，研究獲得的結論如下：

(1)成形溫度對鍛件損傷影響較小，對閉塞式成形載荷具有顯著影響，為降低成形載荷，可適當提高成形的初始溫度。

(2)雙向擠壓較單向擠壓成形載荷有所降低，鍛件損傷也較小。

(3)雙向擠壓需要浮動凹模來實現，為簡化模具結構，設計了單向擠壓成形、組合式凹模上下分體、活動凹模依靠壓板及彈簧提供合模力的汽車搖臂軸閉塞式成形模具。

(4)采用數值模擬確定的工藝條件及所設計的閉塞式成形模具，成形了滿足要求的汽車搖臂軸鍛件。

【1】胡亞民.精鍛成形技術60年的發展與進步[J].金屬加工,2010(15):3-5.

【2】周利平,韓永剛.精密鍛造成型技術及應用[J].機械與電子,2011(21):105-106.

【3】韓豫,陳忠家,王強.直齒內齒輪冷精鍛成型工藝研究[J].合肥工業大學學報,2008(12):2-5.

【4】賈俐俐.擠壓工藝及模具[M].北京:機械工業出版社,2004.

【5】夏巨諶,韓鳳麟,趙一平.中國模具設計大典：第4卷[M].南昌:江西科學技術出版社,2003.

【6】郝海濱.擠壓模具簡明設計手冊[M].北京:化學工業出版社，2006.

Numerical Simulation and Mold Design of the Rockshaft Occlusive Forging Process

WANG Gui

(Jiangmen Xingjiang Steering Gear Co.,Ltd., Jiangmen Guangdong 529030,China)

As an important force transmission part in steering system, the rockshaft is required to have high mechanical properties. The method to forge the car rockshafts in a closed mold was proposed, and the occlusion-type molding processes in several programs were stimulated by finite element analysis. Car rockshaft occlusive forming load and forging damage distribution in several kinds of process programs were obtained. A viable process plan was given by analysis. The car rockshaft occlusive mold was designed. Finally through actual production,the car rockshaft occlusive forgings meeting the requirements were obtained.

Car rockshaft; Occlusive forge forming;Finete element analysis;Mold design

2015-10-09

王貴，男，本科，研究方向為汽車轉向系統。E-mail:wanggui0750@163.com。