雙凸模冷徑向擠壓十字軸的模擬

嚴(yán)健鳴，王成勇，朱取才，周慧杰

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

十字軸，又稱十字節(jié)或萬向接頭，是汽車動(dòng)力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力角度傳遞的關(guān)鍵零件之一，在汽車的動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中裝配于萬向節(jié)組件使用。

目前市場上十字軸產(chǎn)品大多采用模鍛和胎模鍛成形方法得到[1－4]，其主要工藝流程包括:下料、加熱、預(yù)成形、成形、切邊去毛刺以及后續(xù)的機(jī)加工直至成品。十字軸生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝中，存在生產(chǎn)工序繁多、材料利用率低和生產(chǎn)成本高等缺陷，這些都不符合構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的要求，因此生產(chǎn)企業(yè)希望將生產(chǎn)方式改為冷擠壓加工方式，多道次擠壓改為單一道次擠壓，以達(dá)到高效、低耗、低成本、環(huán)保的目的，文中基于這個(gè)目標(biāo)嘗試對(duì)單一道次十字軸擠壓成形進(jìn)行有限元模擬。

針對(duì)十字軸傳統(tǒng)制造工藝存在的缺點(diǎn)，近年來國內(nèi)外的一些汽車公司及科研單位為滿足市場需求，研究了將冷擠壓成形技術(shù)應(yīng)用到十字軸類的零件生產(chǎn)中，取得了進(jìn)展并獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。佳木斯大學(xué)的金廣柱等[2]針對(duì)十字軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了十字軸復(fù)動(dòng)成形工藝，應(yīng)用Deform軟件對(duì)不同成形方案的金屬流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了最優(yōu)的工藝方案，并通過物理實(shí)驗(yàn)證明了工藝的可行性。上海交通大學(xué)的左旭[3]等論述了徑向擠壓中金屬材料的流動(dòng)規(guī)律，這些流動(dòng)規(guī)律為徑向擠壓工藝方案的設(shè)定和徑向擠壓工藝有限元的模擬提供了一種新途徑。Beong Du Ko等人依據(jù)模具結(jié)構(gòu)不同，對(duì)金屬在型腔內(nèi)的徑向流動(dòng)情況做了分析，分析了凹模圓角、擠壓速度以及擠壓比在金屬成形過程中對(duì)成形情況的影響[4]。文中將借助有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)十字軸一次性冷擠壓塑性成形工藝方法做進(jìn)一步的分析研究，主要分析了金屬徑向流動(dòng)規(guī)律以及凸模加載載荷分布等，預(yù)測可能產(chǎn)生的缺陷，為今后的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 零件結(jié)構(gòu)分析

十字軸冷擠壓零件如圖1所示，零件軸臺(tái)四周有4個(gè)軸肩，在擠壓中，需要施加較大的載荷使金屬徑向流動(dòng)充滿整個(gè)零件的軸肩[5]。軸肩為大變形區(qū)，金屬流動(dòng)過程中，在凹模圓角過渡處存在較大的摩擦，軸肩部分易出現(xiàn)應(yīng)力集中和裂紋缺陷。根據(jù)零件的對(duì)稱性，采用對(duì)分凹模、雙沖頭等速反向擠壓。為了避免毛刺的產(chǎn)生，凸模直徑與零件軸臺(tái)直徑的尺寸一致，設(shè)計(jì)為φ40 mm。零件的體積V=9.94×104mm3，軸肩直徑 d= φ20 mm。采用 φ40 mm的圓柱體坯料一次性擠壓。計(jì)算坯料并取坯料高度H為79 mm。以4個(gè)軸肩的截面積之和比上坯料底面積為擠壓比η:

圖1 十字軸零件Fig.1 Universal joint pin drawing

在Pro/E三維造型軟件中建立坯料、沖頭和凹模的模型。為了節(jié)約模擬時(shí)間，根據(jù)對(duì)稱性，將圓柱體坯料、沖頭以及凹模各取1/4模型。將此模型導(dǎo)入Deform-3D軟件中，如圖2所示。模擬參數(shù)設(shè)置見表1。

圖2 十字軸冷擠壓有限元1/4模型Fig.2 Finite element quarter model of universal joint pin

表1 數(shù)值建模參數(shù)Table1 Numerical modeling parameters

2 有限元模擬結(jié)果分析

2.1 擠壓成形過程與行程載荷曲線

擠壓成形過程中，載荷的主要變化分為3個(gè)階段，如圖3所示。

第1階段為鐓粗初始階段，坯料由圓柱體鐓粗為鼓形體，如圖4a所示。由于初始階段，坯料與凹模的接觸面較小，阻力也較小，所以載荷較小，隨著壓下量的增加，與凹模的接觸面積增加，載荷也有所增加。

圖3 凸模加載載荷分布Fig.3 The distribution of applied load of punch

第2階段為軸肩成形階段，如圖4b所示，坯料在壓力下開始向4個(gè)軸肩流動(dòng)，金屬材料進(jìn)行徑向流動(dòng)，沖頭載荷急劇增大。當(dāng)金屬進(jìn)行徑向流動(dòng)后，軸肩金屬只作剛性平移運(yùn)動(dòng)，由于坯料與凹模的接觸面積沒有明顯變化，載荷比較平穩(wěn)，處于緩慢上升狀態(tài)，載荷為570 kN左右，所以實(shí)際生產(chǎn)中載荷大約為2280 kN。

第3階段為擠壓結(jié)束階段，如圖4c所示，零件最終成形。軸肩最前端部分的金屬由于接觸到凹模壁，阻力陡然增大，達(dá)到4000 kN左右。由于采用的是閉式凹模，所以導(dǎo)致終了階段的凸模載荷突變。這里可以通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，在模具軸肩尾部設(shè)置合適的溢流槽來容納多余的金屬，降低金屬流動(dòng)阻力，減小載荷，減小擠壓機(jī)的噸位[6]。

圖4 成形過程Fig.4 Forming process

從成形結(jié)果可以看出，零件在凸模與凹模配合處出現(xiàn)少許毛刺，如圖4c中A處，原因是成形終了階段金屬徑向流動(dòng)阻力加大，少量金屬從凸模和凹模的縫隙處溢出，形成毛刺。這些少量的毛刺在后期可以通過打磨去除，由于毛刺只存在于軸臺(tái)頂端，并不在零件的工作端軸肩，因此不會(huì)影響產(chǎn)品的使用性能。

2.2 擠壓過程中的金屬流動(dòng)情況

對(duì)工件進(jìn)行坐標(biāo)網(wǎng)格劃分以觀察金屬流動(dòng)規(guī)律，如圖5所示。從充型結(jié)束時(shí)的網(wǎng)格分布圖中可以看出:隨著變形量逐漸增加，由于采用雙向等速擠壓，金屬的變形是對(duì)稱的，金屬變形主要集中在十字軸軸肩成形處，工件表面由于摩擦的作用，變形量也明顯小于中心部分。工件的中心部分存在金屬流動(dòng)死區(qū)，呈橢球形，此處的金屬幾乎不做任何移動(dòng)，速度接近為0。由于后續(xù)的機(jī)加工較少，因此工件內(nèi)部完整的流線將不會(huì)遭到破壞，產(chǎn)品的性能將會(huì)得到提高。

圖5 變形后網(wǎng)格的變化Fig.5 Grid changes after deformation

為了進(jìn)一步研究金屬徑向流動(dòng)規(guī)律，在充型結(jié)束時(shí)，從零件中心部分沿x方向設(shè)100個(gè)追蹤點(diǎn)，如圖6所示。依據(jù)這些點(diǎn)在Deform-3D軟件的后處理中提取金屬在即將充型結(jié)束時(shí)的徑向流動(dòng)速度數(shù)據(jù)，然后建立曲線圖，如圖7所示。

從圖7中可以看出，零件的中心部分金屬徑向流動(dòng)速度為0。越靠近軸肩，金屬徑向流動(dòng)速度越大，在軸肩根部附近，金屬徑向流動(dòng)速度達(dá)到最大。這是因?yàn)樵娇拷S肩部分的金屬徑向流動(dòng)阻力越小，速度越大，到達(dá)根部時(shí)速度達(dá)到最大。在軸肩部分，金屬由于只做剛性運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)速度比較平穩(wěn);軸肩尾部的金屬接觸到凹模壁時(shí)，由于阻力作用，金屬徑向流動(dòng)幾乎停止。

圖6 x方向點(diǎn)追蹤設(shè)置示意Fig.6 Schemes of x direction point settings

圖7 金屬徑向流動(dòng)速度Fig.7 Metal radial flow velocity

2.3 十字軸冷擠壓中等效應(yīng)力分析

如圖8所示，從冷擠壓成形的十字軸內(nèi)部等效應(yīng)力分布云圖可以分析看出:在整個(gè)成形過程中，工件內(nèi)部的最大等效應(yīng)力為827 MPa，其中十字軸的軸肩等效應(yīng)力小于800 MPa，而應(yīng)力最大處出現(xiàn)在工件與擠壓沖頭接觸的弧形部分。由于在軸肩根部容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，所以在此處易出現(xiàn)裂紋等缺陷。在軸肩表面設(shè)置一追蹤點(diǎn)，進(jìn)行擠壓過程中等效應(yīng)力追蹤分析。由圖9曲線可知:在整個(gè)擠壓過程中，隨著金屬慢慢向軸肩流動(dòng)，金屬的等效應(yīng)力逐漸上升，上升到一定階段，等效應(yīng)力的變化趨于平緩。當(dāng)金屬流動(dòng)至凹模圓角處時(shí)，該點(diǎn)處的等效應(yīng)力達(dá)到最大，為770 MPa左右。之后，該點(diǎn)的等效應(yīng)力小幅下降。在整個(gè)成形過程中，除了開始加載階段，零件內(nèi)部等效應(yīng)力的變化較平穩(wěn)，都未超過材料的抗拉強(qiáng)度，在模擬結(jié)果中也未出現(xiàn)裂紋(如圖4所示)，預(yù)示著在該工藝方案下，應(yīng)力集中處不會(huì)出現(xiàn)裂紋等缺陷。

圖8 等效應(yīng)力分布云圖Fig.8 The distribution of equivalent stress

利用圖6所示軸肩中心的追蹤點(diǎn)，分析十字軸零件充型結(jié)束時(shí)內(nèi)部等效應(yīng)力狀況。依據(jù)這些點(diǎn)得到等效應(yīng)力分布曲線，如圖10所示。結(jié)合圖4，在充型即將結(jié)束時(shí)，此時(shí)凸模施加的載荷達(dá)到最大，因此凸模下端的應(yīng)力比較大，而在軸肩的尾部由于金屬已經(jīng)接觸到凹模壁，等效應(yīng)力增大，在此兩者之間的金屬由于沒有受到直接的載荷作用，應(yīng)力較小，與應(yīng)力最大處相差達(dá)500 MPa左右。

圖9 根部的等效應(yīng)力點(diǎn)追蹤Fig.9 The change of equivalent stress in the roots

圖10 零件內(nèi)部等效應(yīng)力分布Fig.10 The distribution of internal equivalent stress

3 結(jié)語

基于上述模擬結(jié)果和分析得出以下結(jié)論:在該工藝方案下，十字軸一次性冷擠壓成形零件沒有缺陷。徑向擠壓中，金屬流動(dòng)比較困難，所需的載荷比較大，尤其是后期的載荷急劇增加，應(yīng)該加以控制。零件整體的充型性比較好，零件軸肩的金屬流動(dòng)速度最大，而零件在軸臺(tái)中心部位存在金屬流動(dòng)死區(qū)。零件的軸肩部分一直處在一個(gè)較大應(yīng)力的環(huán)境中，因此擠壓過程中，軸根具有明顯的裂紋傾向，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該得到足夠重視。

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