基于有限元的法蘭軸結構件塑性成形工藝分析

于玲，劉清文

基于有限元的法蘭軸結構件塑性成形工藝分析

于玲，劉清文

（河南工業職業技術學院 機械工程學院，河南 南陽 473000）

針對法蘭軸結構件塑性成形過程復雜、工序繁瑣、成形效率低、材料易折疊等問題，基于塑性成形理論，對汽車法蘭軸零件進行工藝分析，提出2種冷鐓成形方案，對法蘭軸結構件進行塑性成形工藝研究。分析汽車法蘭軸的幾何特征，采用有限元分析軟件對2種冷鐓成形方案的成形載荷進行模擬比較，確定較為合理的工藝方案，通過正交試驗設計進一步進行工藝參數的優化，選取預成形角度、摩擦因數、冷鐓速度、終成形圓角直徑作為4個因素，每個因素對應3個水平，并以成形載荷大小作為考核指標。通過有限元數值模擬技術，得到工藝1各工序載荷分別為403、521 kN，工藝2各工序載荷分別為226、518 kN。可知工藝2比工藝1效率高，模具使用壽命更長。最后通過正交試驗法獲得各因素對成形載荷影響大小的排序為：摩擦因數＞冷鐓速度＞終成形圓角直徑＞預成形角度，最優工藝組合為：預成形角度19°，摩擦因數0.2，冷鐓速度15 mm/s，終成形圓角直徑3 mm。工藝2的冷鐓成形方案縮短了鍛件生產試驗過程和修模時間，能夠滿足設計要求，為實際生產金屬零部件提供了理論依據。

法蘭軸結構件；塑性成形；材料折疊；幾何特征；摩擦因數；冷鐓速度；預成形角度；終成形圓角直徑

目前，我國汽車企業面臨巨大的市場壓力，汽車零部件供應商之間競爭激烈，為突顯產品的優勢，各企業對生產方式、生產效率、產品性能和質量等方面進行了大量研究。轎車法蘭軸是汽車傳動系統中的關鍵零件，其強度和精度要求高，市場需求量大。現在市面上常用的車削加工方法不僅生產效率低，還會降低產品的表面質量和力學性能，為此，需要研究一種切削用量少、材料利用率高、產品質量好、加工性能優良的加工方法，以提高法蘭軸結構件的性能。國內外許多學者對冷鐓、擠壓技術進行了大量研究，獲得了較多的研究成果。陳鑫等[1]針對汽車變速器帶輪軸鍛件多齒形、階梯軸、帶法蘭等難成形的特點，通過數值分析獲得了坯料在終鍛工序中的應變場和模具應力場，并預測了終鍛缺陷，研究表明，當優化工藝參數組合為：坯料溫度1 070 ℃、摩擦因數0.22、凸模速度33 mm/s時，終鍛成形質量最好。江五貴等[2]完成了金屬材料熱變形過程中再結晶動力學與晶粒長大模型的研究，編制用戶子程序并嵌入到DEFORM– TM程序中。通過法蘭軸的熱鍛過程中微觀組織演變的實例，驗證了程序的可行性。柴蓉霞等[3]采用正交試驗方法，對擠壓凸模、凹模結構參數進行了優化，使用優化的凸模、凹模結構參數，對法蘭軸進行溫擠壓成形試制與驗證，得到了合格零件，證明了法蘭軸成形工藝方案的正確性。鄭贛等[4]采用3層拓撲結構，以凸模擠壓速度、模具與坯料之間的摩擦因數、階梯軸處圓角半徑為輸入層神經元，以折疊角和成形載荷為輸出層神經元，構建了法蘭軸冷擠壓成形工藝優化神經網絡模型，通過生產驗證，優化后的工藝方案可有效解決法蘭軸充填不滿和折疊缺陷的問題，為解決多變量多響應的復雜多元非線性工程問題提供了參考。

文中基于塑性成形理論，對汽車法蘭軸零件進行工藝分析，提出2種冷鐓成形方案，并通過有限元軟件進行模擬，對法蘭軸結構件進行塑性成形工藝研究。

1 法蘭軸結構件塑性成形前準備

加工材料使用ML35新材料，其抗拉強度大于530 MPa，伸長率超過20%，截面收縮率大于45%，硬度小于92HB，法蘭軸頭厚度為5 mm，直徑為34 mm，最大軸徑為13.40 mm，屬于大高徑比成形件[5]，零件結構如圖1所示。

圖1 法蘭軸結構件零件（單位：mm）

1.1 毛坯選擇

采用冷鐓ML35鋼圓盤條為原料，線徑為10.8 mm。

1.2 原材料加工

在冷鐓過程中，工件的變形程度越大，對工件的阻力影響越大，變形量必須小于材料允許變形量，否則會產生裂紋，所以塑性成形前對原材料進行預處理是十分必要的[6-8]。

在塑性成形前，預先對研究的法蘭軸結構件進行冷鐓處理，冷鐓前應對原料進行前處理[1,9-10]，使原料粒度及組織符合要求，并優化其塑性指標。原料前處理流程為：酸洗→球化→皂化→退火→切料→冷鐓。

2 確定零件工藝方案

在材料允許的變形程度之內，初步設計了2種冷鐓工藝方案，工藝方案1為預成形錐形結構，工藝方案2為預成形半球結構，借助有限元軟件DEFORM– 3D對這2種工藝方案進行模擬仿真，分析并對比各個重要參數，以獲得合理的工藝方案[11-14]。

圖2 2種冷鐓方案流程

3 模擬試驗

3.1 模擬準備

在ABAQUS中建立法蘭軸結構的塑性成形模型，對于組件模塊，利用ABAQUS軟件的建模功能，分別建立組件的模架、法蘭環等[15]。據此確定每個成形輥的幾何中心點作為一個參考點，以便后續設定成形輥的邊界條件和運動參數。

3.2 分析步和輸出的設定

Step模塊主要用來定義分析流程和輸出，或者建立解決方案的控制和調整。法蘭軸的塑性成形過程是一個熱力耦合的非線性、非對稱、不穩定的過程，所以選擇顯式動態分析法比較合適。在工藝模塊中，通過對質量比系數的確定，確保塑性過程合理進行，從而提高生產效率[16-21]。為了滿足法蘭軸塑性成形分析的需要，在分析階段適當地設置了輸出變量和歷史輸出變量。選取溫度、當量應變、力、轉矩作為輸出變量，環動能、內能作為歷史輸出變量，并分別設置時間間隔。

3.3 相互作用與載荷和邊界條件的設定

交互式功能模塊主要用來定義部件組裝的相互作用和約束。在塑性成形過程中，法蘭軸成形輥接觸鑄坯法蘭環表面，產生摩擦和換熱現象。此互動模組有6對觸點，即芯輥接觸鑄坯法蘭軸內表面、驅動輥及鑄坯法蘭環外表面；上、下端輥分別與鑄坯法蘭環上表面相接觸；下面觸頭、2個導輥與鑄坯法蘭環表面接觸。摩擦安裝時，主動輥、芯輥、端輥、套圈之間都有摩擦形式，導輥、法蘭環外表面的摩擦形式對摩擦過程影響很小，所以不需設摩擦形式。在實際塑性成形過程中，由于存在一定程度的滑移現象，分析時存在任意分離、滑移、旋轉等情況，故選用有限滑移公式。

將工件設為模型，將網格線劃分成15 000個四面體圖形單元。上模、下模設為20 ℃，冷鐓溫度設為20 ℃。在摩擦力邊界條件為剪切摩擦力的情況下，忽略摩擦力在變形時所產生的溫度效應，使臺階面增加1/3。確保每個成形步驟都不會涉及模具的變形，并進行有限元仿真模擬。

3.4 結果與分析

采用有限元分析軟件對成形載荷進行模擬比較，確定了較為合理的工藝方案，對比結果如圖3所示。

圖3顯示了2個不同工藝方案各工位的復合成形曲線。工藝1載荷為403、521 kN；工藝2載荷為226、518 kN。由模擬結果分析可知，工藝2比工藝1成形載荷更低，模具使用壽命更長。綜上所述，工藝方案2是較為合理的法蘭軸冷鐓成形方案。

圖3 不同工藝方案各工位的復合成形曲線

3.5 試驗結果分析

采用冷鐓設備法蘭軸結構件進行試制，參考最優的工藝方案2參數組合，所使用的坯料為盤條線材，表面經磷化皂化處理，在采用工藝方案2的條件上，通過正交試驗設計來進一步進行工藝參數的優化，選取預成形角度、摩擦因數、冷鐓速度、終成形圓角直徑作為4因素，每個因素對應3個水平，并以成形載荷大小作為考核指標[22-25]，具體試驗設計和結果統計如表1所示。

從表1可以看出，各因素對成形載荷影響大小的排序為：摩擦因數＞冷鐓速度＞終成形圓角直徑＞預成形角度，最優工藝組合為：預成形角度19°，摩擦因數0.2，冷鐓速度15 mm/s，終成形圓角直徑3 mm。

表1 正交試驗設計及結果統計

Tab.1 Orthogonal experimental design and results

4 結論

利用有限元軟件對2種汽車用法蘭軸進行了冷鐓成形數值模擬，分析了冷鐓成形過程。對2種工藝條件下物料流動、物料破壞值和成形負荷進行了對比分析，最后確定了較為合理的工藝方案為預制半球形結構，通過正交試驗法獲得了最優工藝參數組合：預成形角度19°，摩擦因數0.2，冷鐓速度15 mm/s，終成形圓角直徑3 mm，可為同類型產品的成形加工提供參考。

[1] 陳鑫, 王勻, 張太良, 等. 基于數值模擬和響應面法的CVT帶輪軸終鍛成形優化研究[J]. 塑性工程學報, 2020, 27(12): 30-36.

CHEN Xin, WANG Yun, ZHANG Tai-liang, et al. Research on Optimization of Final Forging Forming of CVT Pulley Shaft Based on Numerical Simulation and Response Surface Method[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2020, 27(12): 30-36.

[2] 江五貴, 耿世奇, 扶名福, 等. 法蘭軸熱鍛過程中的微觀組織演變的數值模擬[J]. 塑性工程學報, 2006, 13(4): 59-62.

JIANG Wu-gui, GENG Shi-qi, FU Ming-fu, et al. Numerical Simulation of Microstructure Evolution of Flange Axle during Hot Forging[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2006, 13(4): 59-62.

[3] 柴蓉霞, 于力, 郭成. 法蘭軸溫擠壓成形工藝分析與擠壓凸、凹模參數優化[J]. 模具工業, 2012, 38(9): 62-66.

CHAI Rong-xia, YU Li, GUO Cheng. Analysis of Warm Extrusion Process for Flange Shaft and Parameter Optimization of Punch and Die[J]. Die & Mould Industry, 2012, 38(9): 62-66.

[4] 鄭贛, 劉淑梅, 汪東升. 基于神經網絡的法蘭軸冷擠壓成型工藝優化[J]. 輕工機械, 2019, 37(6): 16-20.

ZHENG Gan, LIU Shu-mei, WANG Dong-sheng. Process Optimization of Cold Extrusion Process of Flange Shaft Based on Neural Network[J]. Light Industry Machinery, 2019, 37(6): 16-20.

[5] 姚文俊, 陳松. 汽車法蘭軸結構件塑性成形工藝分析及改進[J]. 鍛壓技術, 2020, 45(11): 7-12.

YAO Wen-jun, CHEN Song. Analysis and Improvement on Plastic Forming Process for Structure Part of Automobile Flange Shaft[J]. Forging & Stamping Technology, 2020, 45(11): 7-12.

[6] 朱晟平, 莫帥, 王霄. 基于Deform與Isight的六角法蘭面螺栓冷鐓模具設計與優化[J]. 機械設計, 2019, 36(3): 50-55.

ZHU Sheng-ping, MO Shuai, WANG Xiao. Design and Optimization of the Cold-Heading Die for Hexagonal Flange Bolts Based on Deform and Isight[J]. Journal of Machine Design, 2019, 36(3): 50-55.

[7] 王友, 熊偉, 梅松, 等. 汽車輪轂軸承軸端鉚合工藝研究進展[J]. 塑性工程學報, 2020, 27(9): 1-11.

WANG You, XIONG Wei, MEI Song, et al. Research Progress on Shaft-End Riveting Process of Automobile Wheel Hub Bearings[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2020, 27(9): 1-11.

[8] 萬明珍, 朱乾皓, 吳劍, 等. 超大厚壁法蘭鍛件成形工藝的研發[J]. 熱加工工藝, 2020, 49(5): 123-125.

WAN Ming-zhen, ZHU Qian-hao, WU Jian, et al. Research and Development of Forming Process for Super Heavy Flange Forgings with Thick Wall[J]. Hot Working Technology, 2020, 49(5): 123-125.

[9] 范文峰, 崔家城, 張大長. 鋼管柔性法蘭軸拉承載力特性研究[J]. 建筑結構, 2020, 50(22): 130-136.

FAN Wen-feng, CUI Jia-cheng, ZHANG Da-chang. Research on Bearing Capacity Characteristics of Flexible Flange under Axial Tension[J]. Building Structure, 2020, 50(22): 130-136.

[10] 王國龍, 李娜, 趙代夫. 基于有限元的電機法蘭結構強度分析[J]. 電機與控制應用, 2020, 47(2): 72-75.

WANG Guo-long, LI Na, ZHAO Dai-fu. Strength Analysis of Motor Flange Structure Based on Finite Element Method[J]. Electric Machines & Control Application, 2020, 47(2): 72-75.

[11] 顏丹丹, 孟凡榮, 張進軍. 發動機平衡軸壓裝工藝問題分析與解決[J]. 制造技術與機床, 2020(2): 171-172.

YAN Dan-dan, MENG Fan-rong, ZHANG Jin-jun. Analysis and Solution of Problems in the Process of Engine Balance Shaft[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2020(2): 171-172.

[12] 舒偉才, 楊建國, 徐立培, 等. 輪轂單元軸鉚塑性成形應力應變和力學分析[J]. 塑性工程學報, 2019, 26(4): 220-227.

SHU Wei-cai, YANG Jian-guo, XU Li-pei, et al. Stress-Strain and Mechanical Analysis of Shaft Clinching Plastic Forming of Hub Unit[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2019, 26(4): 220-227.

[13] 戴亞, 崔厚坤, 崔鳴誠, 等. 鋼管柔性法蘭軸拉承載力試驗及內外角焊縫受力特性分析[J]. 結構工程師, 2019, 35(4): 174-180.

DAI Ya, CUI Hou-kun, CUI Ming-cheng, et al. Axial Tensile Bearing Capacity Test and Stress Analysis of Internal and External Fillet Weld of Flexible Flange[J]. Structural Engineers, 2019, 35(4): 174-180.

[14] 葉鵬飛, 王成勇, 陳錦洪, 等. 基于數值模擬分析異形工藝孔在汽車門內板塑性成形過程中的應用研究[J]. 塑性工程學報, 2019, 26(1): 33-39.

YE Peng-fei, WANG Cheng-yong, CHEN Jin-hong, et al. Application Research on Irregular Holes in Plastic Forming of Door Inner Panel for Car Based on Numerical Simulation[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2019, 26(1): 33-39.

[15] 焦健, 彭芳. 車用法蘭螺母冷擠壓成形工藝分析及優化[J]. 鍛壓技術, 2020, 45(3): 81-86.

JIAO Jian, PENG Fang. Analysis and Optimization on Cold Extrusion Process of Flange Nuts for Vehicles[J]. Forging & Stamping Technology, 2020, 45(3): 81-86.

[16] 胡一鵬, 黃遵義, 曾玉昆, 等. 內嵌式法蘭連接預制拼裝雙柱墩參數分析[J]. 震災防御技術, 2021, 16(3): 554-565.

HU Yi-peng, HUANG Zun-yi, ZENG Yu-kun, et al. Parameter Analysis of Prefabricated Double Column Piers with Embedded Flange Connection[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2021, 16(3): 554-565.

[17] 蔡翠平, 葛林靜. 汽車輪轂軸頭制造工藝的分析及應用[J]. 礦山機械, 2008, 36(24): 100-102.

CAI Cui-ping, GE Lin-jing. Analysis and Application of Manufacturing Process for Auto Wheel Hub Gudgeon[J]. Mining & Processing Equipment, 2008, 36(24): 100-102.

[18] 李波, 何芬, 謝彬, 等. 汽輪機用法蘭鐓鍛成形與模具設計[J]. 模具工業, 2022, 48(5): 58-60.

LI Bo, HE Fen, XIE Bin, et al. Upsetting Forming of Steam Turbine Flange and the Die Design[J]. Die & Mould Industry, 2022, 48(5): 58-60.

[19] 楊昌群, 高金杰, 馮智彥, 等. 制動管一體式法蘭接頭熱鐓擠成形工藝仿真分析[J]. 精密成形工程, 2022, 14(7): 64-71.

YANG Chang-qun, GAO Jin-jie, FENG Zhi-yan, et al. Numerical Analysis of Hot Upsetting-Extruding Process for Integrated Flange Fitting on Brake Pipe[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(7): 64-71.

[20] 郎利輝, 王永銘, 謝亞蘇, 等. 鋁合金盒形件充液成形法蘭變形特性及其失穩影響分析[J]. 材料科學與工藝, 2013, 21(4): 37-43.

LANG Li-hui, WANG Yong-ming, XIE Ya-su, et al. The Flange Deformation Characteristics and Its Effect on Failure in the Hydroforming Process of Aluminum Alloy Rectangular Cup[J]. Materials Science and Technology, 2013, 21(4): 37-43.

[21] 范淑琴, 趙升噸, 張琦, 等. 直角法蘭雙輥夾持擴旋成形有限元模型的確定[J]. 西安交通大學學報, 2010, 44(5): 66-70.

FAN Shu-qin, ZHAO Sheng-dun, ZHANG Qi, et al. Finite Element Model Determination of Double Rollers Clamping Expanding Spinning for Right-Angle Flange[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2010, 44(5): 66-70.

[22] 諸葛躍, 王家宣, 李春. 5083鋁合金法蘭盤液態模鍛成形技術[J]. 熱加工工藝, 2009, 38(7): 80-82.

ZHUGE Yue, WANG Jia-xuan, LI Chun. Liquid Die Forging Technology for 5083 Aluminium Alloy Flange[J]. Hot Working Technology, 2009, 38(7): 80-82.

[23] 滕步剛, 苗啟斌, 董小瑛, 等. 特大型法蘭用復雜截面工件精確彎曲成形的工藝[J]. 壓力容器, 2003, 20(10): 37-39.

TENG Bu-gang, MIAO Qi-bin, DONG Xiao-ying, et al. Research on Precision Bending of Complicated Cross-Section Workpiece Used for Large Flange[J]. Pressure Vessel Technology, 2003, 20(10): 37-39.

[24] 杜之明, 叢森, 柳君, 等. 鋁合金軸對稱法蘭件熱擠壓成形極限的理論分析[J]. 材料工程, 2011, 39(8): 1-4.

DU Zhi-ming, CONG Sen, LIU Jun, et al. Theory Analysis of Forming Limit for Hot Extrusion Process of Aluminum Alloy Axisymmetric Flange Parts[J]. Journal of Materials Engineering, 2011, 39(8): 1-4.

[25] 黃晶晶. 基于Deform的汽車法蘭盤體零件鍛造成形工藝[J]. 鍛壓技術, 2022, 47(6): 81-86.

HUANG Jing-jing. Forging Process for Automobile Flange Body Part Based on Deform[J]. Forging & Stamping Technology, 2022, 47(6): 81-86.

Plastic Forming Process of Flange Shaft Structure Based on Finite Element

YU Ling, LIU Qing-wen

(College of Mechanical Engineering, Henan Polytechnic Institute, Henan Nanyang 473000, China)

The work aims to carry out process analysis of automobile flange shaft parts, propose two cold heading forming schemes, andstudy the plastic forming technology of flange shaft structure based on the theory of plastic forming to solve the problems of complex plastic forming process, cumbersome process, low forming efficiency, and easy folding of materials for flange shaft structure. The geometric characteristics of the automobile flange shaft were analyzed, and the forming loads of the two cold heading forming schemes were simulated and compared with finite element analysis software. A more reasonable process scheme was determined, and the process parameters were further optimized through the orthogonal test design. Preforming angle, friction coefficient, cold heading speed, and final forming fillet diameterwere selected as four factors, with each factor corresponding to three levels. The forming load was used as the assessment index. Through the numerical simulation technology of finite element, the loads of each procedure in process 1 were 403 and 521 kN, respectively, and the loads of each procedure in process 2 were 226 and 518 kN, respectively. It can be seen that the efficiency of process 2 was higher than that of process 1, and the service life of the mold was longer. Finally, the order of the influence of each factor on the forming load obtained by the orthogonal test method was: friction coefficient > cold heading speed > final forming fillet diameter > preforming angle. The optimal process combination was: preforming angle of 19°, friction coefficient of 0.2, cold heading speed of 15 mm/s, and final forming fillet diameter of 3 mm. The cold heading forming scheme of process 2 reduces the test process of forging production and mold repair time, can meet the design requirements, and provides a theoretical basis for actual production of metal parts.

flange shaft structure; plastic forming; material folding; geometric characteristics; friction coefficient; cold heading speed; preforming angle; final forming fillet diameter

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.02.025

TP391

A

1674-6457(2023)02-0218-06

2021–06–29

2021-06-29

河南省科技廳自然科學基金（9412018y1618）

Natural Science Foundation Project of Henan Provincial Science and Technology Department (9412018y1618)

于玲（1978—），女，碩士，副教授，主要研究方向為材料成形及機械設計與制造。

YU Ling (1978-), Female, Master, Associate professor, Research focus: material forming and mechanical design and manufacturing.

于玲,劉清文, 等. 基于有限元的法蘭軸結構件塑性成形工藝分析[J]. 精密成形工程, 2023, 15(2): 218-223.

YU Ling,LIU Qing-wen, et al. Plastic Forming Process of Flange Shaft Structure Based on Finite Element[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(2): 218-223.