機械連接軸冷鍛成形的QForm數值模擬分析

盧秀明

（宿遷澤達職業技術學院，宿遷 223800）

1 研究背景

機械是提升生產效率及產品質量、減輕工作人員負擔的重要工具，在產品加工和處理過程中發揮著重要作用。機械連接軸是機械設備中重要的動力傳遞、運動以及連接部件，其性能水平與機械設備的整體性能直接相關。機械連接軸對熱處理、加工特性和成形方式等有較高的要求。只有保證機械連接軸冷鍛成形的性能，才能為機械設備的安全運行提供基礎。隨著經濟的發展和科學技術的進步，機械設備冷鍛成形工藝數值仿真計算的速度越來越高，且機械設備中的零部件綜合性能越來越高，如法蘭和連接軸等。機械連接軸是機械傳動中常用的過渡連接方式，是做回轉運動設備的重要零部件，作用為連接兩軸，傳遞扭矩，使兩根軸一起轉動。使用機械連接軸的過程中，往往受到各種因素的影響。例如，農業機械連接軸在復雜條件下使用時，水、泥土和往復循環應力等都會影響連接軸。因此，機械連接軸的熱物理、疲勞和力學等特性都需要有較高的水平[1]。機械連接軸產品發展比較迅速，且性能各異、種類較多，需要根據不同的要求進行設計和選擇，以滿足機械設備的性能要求。它的成形方式一般為冷鍛成形，能夠獲得較高的尺寸精度，且壽命長、表面強度高、光潔度好，在各行各業中應用廣泛。

國內外眾多研究者們通過分析冷鍛成形，獲得了綜合力學性能優良的鍛件[2]。例如，曲臂鍛件的工藝數值模擬、轉向軸零件的數值模擬仿真分析、優化新型汽車曲軸的鍛壓工藝、沖壓焊接結構下拉桿行為數值模擬以及螺紋連接軸的連接加工工藝等。但是，目前關于農業機械連接軸的冷鍛成形數值模擬研究不多。本文采取QForm有限元分析軟件仿真模擬農業機械連接軸的冷鍛成形過程，分析其冷鍛成形規律，優化其冷鍛成形工藝，以提升其冷鍛成形的生產效率，為機械連接軸設計制作提供參考。

2 機械連接軸冷鍛成形工藝分析

2.1 機械連接軸材料特性

本文選取農業機械為研究對象，其連接軸參數如圖1所示。

圖1 機械連接軸的主要尺寸

本次研究選取模具材料為H13模具鋼，農業機械連接軸為1010鋼。機械連接軸的冷鍛成形過程包括擠壓和鐓粗等。相關材料的特性如表1所示。

表1 模具及毛坯材料的力學及物理特性

2.2 成形過程

機械連接軸需要有較強的承受極端工況和相應的疲勞載荷的能力。機械動力傳遞及連接方式與連接軸密切相關，其冷鍛成形工藝會直接影響機械的整體性能[3]。本次研究的機械連接軸，成形時先經過初期擠壓成形，然后形成多階梯，之后再次擠壓成形，最終冷鍛成形。鍛件表面精度較好，性能優良，如圖2所示。需要注意，圖2中的數據單位均為mm。

圖2 機械連接軸的冷鍛成形過程

3 冷鍛成形數值模擬結果

3.1 冷鍛成形有限元模型

分析機械連接軸的材料和成形工藝，建立數值模擬分析模型，根據冷鍛成形工藝分為4個階段，如圖3所示。使用QForm進行數值模擬分析時，先建立連接軸的數值模擬模型，然后設置相對應的熱-力條件[4]。其中：成形溫度為25 ℃；環境溫度為25 ℃；鍛造模具與鍛造坯料的摩擦系數為0.25[5]；鐓粗速度為5 mm·s-1；冷鍛速度為1.5 mm·s-1；初擠壓速度為5 mm·s-1；擠壓速度為1.5 mm·s-1。

圖3 模擬模型

3.2 模擬結果分析

3.2.1 初擠壓成形及其載荷

使用QForm專業鍛壓模擬軟件進行數值模擬，獲得載荷分布和初擠壓成形的具體情況，如圖4所示。在冷鍛成形的第一階段，毛坯下端隨著毛坯下降而不斷減少，最終成為階梯擠壓件。在這一過程中，隨著擠壓時間的不斷增加，推桿載荷也呈現增加趨勢，其最大載荷為60.1 kN。

圖4 初擠壓成形模擬

3.2.2 鐓粗成形及其載荷分析

根據模擬軟件數值仿真，獲得第二階段（鐓粗階段）的工藝參數，如圖5所示。在鐓粗成形過程中，機械連接軸逐漸成為多級階梯件。隨著時間的增加，推桿載荷在此階段的變化情況為“不斷上升—基本保持不變—繼續上升”，最大載荷為125 kN。

圖5 鐓粗成形模擬

3.2.3 擠壓成形及其載荷分布

使用QForm軟件模擬分析機械連接軸的冷鍛成形擠壓階段，結果如圖6所示。毛坯在此階段成為帶花鍵的連接軸。隨著擠壓時間的增大，推桿載荷在此階段的變化情況為“上升—不變—繼續上升”，最大載荷為121 kN。

圖6 擠壓成形階段模擬

3.2.4 冷鍛成形及其載荷分布

使用QForm軟件模擬分析機械連接軸的冷鍛成形階段，如圖7所示。隨著時間的增加，推桿載荷不斷上升，其最大載荷為250 kN。

圖7 冷終鍛成形階段模擬

4 結語

在機械連接軸冷鍛成形的不同階段，載荷有一定的差異。初擠壓成形的初擠壓件，隨著時間的延長，載荷不斷上升；在鐓粗階段，隨著時間的延長，載荷“不斷上升—不變—繼續上升”；在最終冷鍛成形階段，隨著時間的延長，載荷不斷上升。