基于數值模擬的多階梯軸鐓粗工藝研究

苗 進，朱明貞

（1.江蘇凱俊機械有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷學院機電工程學院，江蘇 宿遷 223800）

汽車底盤中有很多軸類零件，其主要作用是傳遞扭矩和承受載荷[1-3]，一般的加工工藝方法有切削加工、階梯處一次鐓粗再進行切削、逐級鐓粗的工藝方法。本文研究的軸是某汽車用花鍵扭桿，如圖1所示，材料為45#鋼，屬于細長軸，備料時若采用直徑為52 mm的棒料直接在車床上進行車削，加工余量大，材料利用率低，還不易解決軸的跳動問題。若一次鐓成直徑為52 mm、長度為173.8 mm的大階梯再進行車削，則需要較大的鐓粗設備，且還有10 mm的加工余量需要在車床上完成車削加工。若采用逐級鐓粗，毛坯需要加熱兩次，增加了一道工序，浪費能源。為了解決以上問題，現提出一種新的加工工藝，即備料時采用直徑為42 mm的毛坯，采用中頻感應加熱將毛坯加熱至1 200 ℃，先后經過兩副鐓粗模具，成形出圖1所示階梯處形狀，然后再在車床上進行精加工，去除鐓粗時表面產生的氧化皮。為確保上述工藝可行，采用Deform-3D有限元軟件進行數值模擬[4-7]，模擬驗證該工藝的可行性，并為實際生產提供成形工藝參數。

圖1 花鍵扭桿

1 建立有限元模型

本研究中花鍵扭桿結構簡單對稱，材料45#鋼的塑性較好，精度要求一般，選用直徑為42 mm的圓棒料作為坯料。通過Creo軟件繪制出扭桿三維圖形，根據體積不變原則計算出所需要的毛坯長度為697 mm。

運用Creo軟件建立兩副鐓粗模型[8-9]，為了減少后面計算量，毛坯設計時僅截取需要成形的部分，第一副模具鐓粗成圖2所示半成品，模具圖如圖3所示。第二副鐓粗成圖4所示成品，鐓粗模具圖如圖5所示，圖3、圖5中的1為模具型腔，2為推桿。因為兩副模具是安裝在同一平鍛機上同時完成鐓粗，所以兩副模具的推桿行程設計是關鍵。第一副模具鍛造時的推桿行程為17 mm，第二副模具鍛造時的推桿行程為24 mm。

圖3 第一副鐓粗模具

圖4 第二副鐓粗成品

圖5 第二副鐓粗模具

2 有限元模擬及結果分析

2.1 第一次鐓粗分析

將上述設計好的有限元數值模型以stl格式導入Deform-3D軟件并完成前處理，第一次鐓粗時毛坯劃分的網格為80 000個，圖2中毛坯左端15 mm處設計固定，防止其發生轉動及竄動，毛坯的所有面設計為接觸面，推桿2設計為主模具，其推動毛坯向左運動，速度為8 mm/s[10]。模具的初始溫度設計為300 ℃，毛坯設計溫度為1 200 ℃，毛坯和模具之間的摩擦系數為0.3。第一次鐓粗前毛坯和空氣、毛坯和模具下型腔之間存在熱交換，實際毛坯模擬的溫度為11 850 ℃~1 190 ℃。圖6是第一次鐓粗載荷隨時間變化情況，隨著時間變化及毛坯與型腔接觸面積的增大載荷逐漸平穩上升，在鍛造后期載荷迅速增加直至毛坯充滿型腔，最大載荷為400 kN，該載荷與計算結果基本一致。

圖2 第一副鐓粗半成品

圖6 第一次鐓粗分析時間、載荷圖

圖7 （a）為最終等效應力圖，從圖7中可以看出在整個鐓粗過程中錐部的應力應變都比較小，而在鐓粗的后期及向圓角過渡的位置應力開始變大，這主要是因為毛坯與模具的接觸面積發生改變，整個鐓粗過程中金屬流動情況較好。圖7（b）為等效應變圖，等效應變主要反映金屬的變形程度，整個變形區變形平緩，變形主要集中在向圓角過渡的位置，其值大概為0.66 mm/mm。

圖7 第一次鐓粗等效應力、應變圖

2.2 第二次鐓粗分析

將第一次模擬結束后的DB文件及KEY文件導入，并設計第一次鐓粗的最后一步最為第二次鐓粗的第一步，此時毛坯的溫度范圍在963 ℃~1 183 ℃，模具的初始溫度為300 ℃，兩者之間的摩擦系數為0.3。圖8為第二次鐓粗載荷隨時間變化情況，其變化規律同第一次鐓粗，最大載荷約為430 kN，該載荷與計算結果基本一致。

圖8 第二次鐓粗分析時間、載荷圖

圖9 為第二次鐓粗等效應力、應變圖，從圖9（a）中可以看出應力主要集中開始在圓角位置和鐓粗后期的圓角位置，最大值在200 MPa左右；從圖9（b）中可以看出整個應變變化平緩，在最后的階段由于材料有部分折疊，使應變有所變化，該值在1 mm/mm左右，基本不影響成形效果。兩次鐓粗結束后將其放置到室溫中冷卻2 d~3 d，再進行車削去除鍛造后產生的氧化皮及折疊等，以達到表面粗糙度和尺寸精度要求。

圖9 第二次鐓粗等效應力、應變圖

3 生產驗證

根據數值仿真數據及模擬結果，設計兩副鐓粗模具并將其安裝在同一平鍛機上。其臺階部分的成形工序為下料—感應加熱—連續兩次鐓粗，毛坯材料為45#鋼，感應加熱溫度為1 180 ℃~1 200 ℃，模具的初始溫度不低于300 ℃，在整個成形的過程中溫度控制是重點，必須減少非必要的能量損失；為了保證質量，提高效率，連續鐓粗的過程可以采用機械手臂進行自動化操作，該方法有效提高了階梯軸類零件的加工效率，可降低成本，解決了車削加工余量大、浪費能源的問題。