汽車輸出軸冷精鍛成形數值模擬研究

文/孫志國，劉金華，黃澤全，李子恒·合肥工業大學

汽車輸出軸的質量要求高，產品需求量大。但傳統的軸類零件車削加工方法無法滿足汽車行業發展的需要，實用、高效的冷精鍛工藝也就應運而生。采用軟件Deform-3D對成形過程進行模擬，并分析成形過程中工件的各種力學性能變化，確定最佳工藝方案,最后分析不同參數對冷擠壓成形過程的影響，確定用冷擠壓生產汽車輸出軸的最佳工藝參數。

隨著我國經濟、科技的發展和國際分工體系的變化，汽車與汽車零部件制造已成為我國支柱產業。預計，到2020年我國汽車產量將超越美國成為世界生產汽車的第一大國。研究汽車零部件制造工藝和生產設備等仍無法滿足國內汽車市場不斷增長的需求。我國精鍛技術及裝備開發應用方面與發達國家差距較大，應當大力開展這一高新技術的研究開發與應用，推動我國精鍛技術的進步，追上國際先進水平，促進汽車行業快速發展。

輸出軸冷擠壓工藝

冷擠壓是利用金屬塑性變形原理，在室溫條件下將冷態金屬放入模具型腔，在壓力作用下迫使金屬產生塑性流動，通過凸凹模間隙或凹模出口擠出金屬，從而獲得一定形狀、尺寸和具有一定力學性能的擠壓件的工藝技術。

零件工藝性分析

圖1所示的汽車輸出軸是軸對稱的深孔階梯軸，零件材料為20MnCr5。零件有多個臺階，深孔部位孔深壁薄，且內部凹孔直接加工難以取模，這是該零件的加工難點。根據該零件工藝特點，需用到擠壓方法有反擠壓、減徑擠壓和鐓擠法等。

圖1 某汽車輸出軸剖面零件圖

工藝方案的設計

本次研究的輸出軸冷擠壓成形難點在于右端深孔及薄壁的成形，依據零件結構特點和塑性成形原理，設計了冷擠壓工藝方案為：縮徑→鐓擠→反擠→精加工。將外圓柱φ49mm縮小到φ47mm；鐓擠左側階梯頭；反擠右端φ31mm深孔，行程54.5mm，完全擠出右端深孔；精加工，各工步如圖2所示。

圖2 冷擠壓工藝方案

數值模擬結果分析

⑴縮徑模擬結果分析。

1)等效應力分析。由于減徑擠壓過程變形比較簡單，全程應力分布情況較為一致如圖3所示，減徑擠壓時等效應力主要分布在縮徑臺階處，從縮徑臺階處到兩側等效應力逐漸減小，縮徑臺階前軸中心有橢圓形區域無等效應力，這是因為該區域受四面金屬擠壓，處于平衡狀態，這對工件心部金屬有一定強化作用。全過程等效應力最大值為808MPa。

圖3 等效應力模擬圖

2)凸模載荷分析。縮徑時凸模載荷-行程曲線如圖4所示。開始是工件入模階段，載荷隨工件擠入模具而增加，之后載荷逐漸穩定下來。縮徑時毛坯變形程度較小，金屬變形抗力也較小，因此凸模載荷也較小。縮徑時凸模載荷在0.92t左右波動，載荷最大值僅為2.43t。

圖4 凸模載荷分析

⑵鐓擠模擬結果分析。

1)等效應力分析。鐓擠時等效應力如圖5所示，初期應力仍集中分布在鐓粗頭部，不同的是縮徑臺階以下的部分幾乎無應力作用，這是因為縮徑臺階的存在對毛坯阻礙及摩擦作用大。應力分布情況與其他方案中相近，都以凸緣部分等效應力最大，但最大應力值僅為808MPa。

圖5 等效應力分析

2)凸模載荷分析。

鐓擠時凸模載荷-行程曲線如圖6所示。初期凸模載荷緩慢增長，最后階段由于各拐角處金屬難以填充，載荷急劇上升，最大載荷為8.90t。

⑶第一次反擠模擬結果分析。

圖6 凸模載荷分析

1)等效應力分析。圖7所示的等效應力減小，有利于減小凸模磨損，提高模具壽命。

圖7 等效應力分析

2)凸模載荷分析。圖8所示的反擠工序載荷值穩定在1.74t左右，最大載荷約為1.98t。

圖8 凸模載荷分析

⑷第二次反擠模擬結果分析。

1)等效應力分析。第二次反擠時，由于縮徑臺階在已變形區，模具臺階對變形區金屬向后流動起阻礙作用，因此除凸模前等效應力較集中外，縮徑臺階處也存在較大的等效應力如圖9所示，最大等效應力值仍為808MPa。因此，需特別注意凹模臺階處模具的潤滑處理。

圖9 等效應力分析

2)凸模載荷分析。第二次反擠時凸模載荷曲線如圖10所示，隨著行程增加，載荷緩慢增長，但增幅不大，最終載荷最大值為2.20t。

圖10 凸模載荷分析

冷擠壓工藝的優化

縮徑過程

圖11為擠壓速度在2mm/s、5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s時,凸模最大載荷的變化情況。可見隨擠壓速度提高，凸模載荷升高。但由于變形不大，影響并不明顯。由于不同擠壓速度下模擬結果均顯示零件成形良好。故綜合考慮凸模承載穩定性及生產效率，縮徑時擠壓速為10mm/s較為合適。

圖11 不同擠壓速度下的載荷曲線

鐓擠過程

鐓擠過程變形量大，零件成形效果受擠壓速度影響較明顯如圖12所示，當擠壓速度大于3mm/s時，零件開始出現階梯處填充不滿及左端面飛邊缺陷。這是因為擠壓速度過快，階梯處來不及填充滿，多余金屬從沖頭與凹模微小間隙擠出形成飛邊。

圖12 鐓擠時不同擠壓速度下零件成形質量

反擠過程

反擠時凸模載荷呈現出隨擠壓速度上升而下降的趨勢如圖13所示。這一方面是因為擠壓速度快，金屬變形速率大，溫度升高，升溫對金屬毛坯有軟化作用，因此使凸模載荷減小；另一方是因為高速變形時模具與工件能形成良好的潤滑狀態，因此隨變形速度增大，摩擦因數減小，從而使凸模載荷減小。但內孔表面溫度升高更容易產生表面缺陷，圖14為擠壓速度為7mm/s時零件表面損傷分布，兩處最大損傷值分別為3.75和8.92，很可能會產生裂紋。經過多組模擬發現擠壓速度為5mm/s時，成件質量較好。

圖13 鐓擠過程擠壓速度對凸模載荷的影響

圖14 V=7mm/s 時零件損傷分布

結論

本文主要運用數值模擬技術進行了汽車輸出軸冷精鍛成形工藝的研究，取得了一些預期的研究成果。但受能力、設備等方面的限制，研究成果有限，還不足以應用于生產實踐，還存在一些待解決的問題，現概括如下：

⑴本文主要分析了輸出軸冷擠壓成形工藝，只是簡單的解決了一些工藝方面的問題，為節省運算時間對模具結構進行大量簡化。要獲得更為準確的數據結果，必須考慮模具形狀及結構對成形過程的影響，分析工藝方案和工藝參數時也必須考慮模具磨損及受力情況，這樣才可以真正獲得最優方案。

⑵本文運用 Deform-3D 軟件對成形過程進行數值模擬分析，建立了剛塑性有限元模型，而實際生產中金屬和模具還存在彈性變形，并且Deform-3D軟件本身也有一定局限性，因此模擬結果與實際情況有一定差距。要獲得更精確的模擬結果，還需完善有限元模型，如采用更精確的彈塑性有限元模型進行模擬。