搖臂軸閉塞式成形工藝數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)

王貴

(江門市興江轉(zhuǎn)向器有限公司，廣東江門 529030)

搖臂軸閉塞式成形工藝數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)

王貴

(江門市興江轉(zhuǎn)向器有限公司，廣東江門 529030)

汽車搖臂軸作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要的傳力零件，要求具有較高的力學(xué)性能。提出采用閉塞式成形方法進(jìn)行汽車搖臂軸的鍛造成形，并通過(guò)有限元方法模擬了幾種工藝方案下的閉塞式成形過(guò)程，獲得了各種工藝方案的汽車搖臂軸閉塞式成形載荷及鍛件損傷分布等，分析給出了可行的工藝方案，設(shè)計(jì)了汽車搖臂軸閉塞式成形模具。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)，獲得了滿足要求的汽車搖臂軸閉塞式成形鍛件。

汽車搖臂軸；閉塞式成形；有限元模擬；模具設(shè)計(jì)

0 引言

汽車搖臂軸是多種車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳力零件，要求具有較高的力學(xué)性能。由于鍛造成形能夠獲得完好的金屬流線并能提高材料利用率和生產(chǎn)效率，因此傳統(tǒng)的機(jī)加工方法逐漸被鍛造成形工藝取代。圖1為某一汽車搖臂軸的鍛件圖，鍛件輪廓形狀為整體長(zhǎng)軸狀，總長(zhǎng)度為280 mm，中上部齒輪部分大徑為64.9 mm，帶有5°的錐度，中間齒輪偏心較大，聚料較困難[1]。由于鍛件精度要求較高，而且形狀比較復(fù)雜，文中提出采用閉塞鍛造工藝進(jìn)行該汽車搖臂軸的成形，以提高齒形的精度，實(shí)現(xiàn)鍛后齒形的少無(wú)加工[2-3]。

1 擠壓過(guò)程數(shù)值模擬

采用Deform體積成形專用軟件對(duì)搖臂軸閉塞式成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析確定其坯料規(guī)格、預(yù)成形形狀、終成形充滿的工藝條件、模具合理結(jié)構(gòu)及其彈性變形量，為采用閉塞式成形工藝生產(chǎn)該汽車搖臂軸提供參考依據(jù)。

由于零件為左右對(duì)稱的形狀，而且其變形難度主要集中在中上部的齒輪處，其受力變形情況也具有左右對(duì)稱性，因此，取其軸截面的1/2進(jìn)行模擬。有限元模擬分析模型如圖2所示。圓柱形坯料網(wǎng)格數(shù)量約為70 000，定義材料為AISI4120[12]，對(duì)稱面施加約束，模具擠壓速度為3 mm/s，坯料與模具之間的摩擦因數(shù)為0.3。忽略溫度變化，選取不同的始鍛溫度及不同的模具擠壓方式，具體模擬方案如下：方案一：上下凸模雙動(dòng)，1 100 ℃；方案二：上下凸模雙動(dòng)，900 ℃；方案三：上凸模單動(dòng)，1 100 ℃；方案四：上凸模單動(dòng)，900 ℃。

上述幾種方案的搖臂軸閉塞式成形模擬結(jié)果如下：

方案一：上下凸模雙動(dòng)擠壓成形，溫度設(shè)置1 100 ℃，材料設(shè)定不變，上下凸模運(yùn)動(dòng)速度為3 mm/s。成形過(guò)程中的行程載荷曲線如圖3所示。可以看到：上凸模整個(gè)行程過(guò)程中受到的載荷較大，忽略充滿時(shí)刻急劇增大的載荷，上凸模承受最大載荷約1 790 kN。 圖4為成形過(guò)程結(jié)束時(shí)鍛件齒形部分的損傷圖，該圖反映了分析區(qū)域在成形過(guò)程中發(fā)生損傷的可能性大小，可以清楚地看到：齒輪上端頭部和下端尾部的損傷值較大，最大損傷值為0.563。

方案二：上下凸模雙動(dòng)擠壓成型，溫度900 ℃，材料不改變，上下凸模運(yùn)動(dòng)速度為3 mm/s。模擬結(jié)果顯示：上凸模承受最大載荷為2 800 kN ，明顯高于1 100 ℃時(shí)的成形載荷。鍛件損傷分布及最大損傷值與1 100 ℃時(shí)較為相似。

方案三：上凸模單動(dòng)擠壓成形，溫度設(shè)置1 100 ℃，材料設(shè)定不變，上凸模運(yùn)動(dòng)速度為3 mm/s。圖5為行程載荷曲線，可以看到：上凸模承受最大載荷約2 070 kN ，明顯高于雙向擠壓時(shí)的模具載荷。從圖6可見(jiàn)：盡管損傷分布規(guī)律與雙向擠壓類似，但單向擠壓的最大損傷值為0.658，高于雙向擠壓，也就是說(shuō)，單向擠壓對(duì)鍛件端部質(zhì)量影響較大。

方案四：上凸模單動(dòng)擠壓成形，溫度900 ℃，上凸模運(yùn)動(dòng)速度為3 mm/s。模擬顯示的上凸模承受最大載荷為3 400 kN，很明顯比1 100 ℃時(shí)載荷大。鍛件最大損傷為0.658，并且區(qū)域較平均，與1 100 ℃單動(dòng)時(shí)的損傷幾乎相同。

從上述4種不同的分析方案可以看出：在合理的工藝條件下，閉塞式成形方法都可以保證搖臂軸的充滿成形；較高的始鍛溫度可以降低成形載荷，雙向擠壓較單向擠壓可以減小鍛件損傷；由于損傷值較小，各種工藝條件的損傷值都小于1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳鋼材料引起質(zhì)量問(wèn)題的臨界損傷值。所以，為使模具設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，可以采用單向擠壓成形方式進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 模具設(shè)計(jì)

對(duì)該搖臂軸鍛件，作者提出采用閉塞式成形，其成形過(guò)程與擠壓類似，其模具結(jié)構(gòu)可參考液壓機(jī)上模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。與擠壓成形不同，閉塞式成形時(shí)坯料承受三向壓應(yīng)力狀態(tài)，變形結(jié)束時(shí)模具承受較大的載荷，因此，凹模應(yīng)采用多層組合結(jié)構(gòu)[5-6]。凸模按照正擠壓凸模的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為便于汽車搖臂軸鍛件成形后出模，凹模應(yīng)分為上下兩部分分體結(jié)構(gòu)。為防止成形過(guò)程中因坯料對(duì)凹模作用力導(dǎo)致上下分體凹模分開(kāi)，應(yīng)對(duì)凹模施加一定的合模力。文中采用彈簧力在凹模合模后隨著凸模的下行擠壓，通過(guò)壓板施壓彈簧作用在上半個(gè)凹模上，提供必要的合模力以防止坯料流入到上下凹模之間產(chǎn)生飛邊。

搖臂軸閉塞式成形模具結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖8為采用閉塞式成形工藝生產(chǎn)的汽車搖臂軸鍛件。

3 結(jié)論

針對(duì)汽車搖臂軸鍛件成形精度與質(zhì)量要求，提出采用閉塞式成形工藝方法進(jìn)行搖臂軸的鍛造成形，對(duì)不同工藝條件下的成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)了汽車搖臂軸閉塞式成形模具，研究獲得的結(jié)論如下：

(1)成形溫度對(duì)鍛件損傷影響較小，對(duì)閉塞式成形載荷具有顯著影響，為降低成形載荷，可適當(dāng)提高成形的初始溫度。

(2)雙向擠壓較單向擠壓成形載荷有所降低，鍛件損傷也較小。

(3)雙向擠壓需要浮動(dòng)凹模來(lái)實(shí)現(xiàn)，為簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了單向擠壓成形、組合式凹模上下分體、活動(dòng)凹模依靠壓板及彈簧提供合模力的汽車搖臂軸閉塞式成形模具。

(4)采用數(shù)值模擬確定的工藝條件及所設(shè)計(jì)的閉塞式成形模具，成形了滿足要求的汽車搖臂軸鍛件。

【1】胡亞民.精鍛成形技術(shù)60年的發(fā)展與進(jìn)步[J].金屬加工,2010(15):3-5.

【2】周利平,韓永剛.精密鍛造成型技術(shù)及應(yīng)用[J].機(jī)械與電子,2011(21):105-106.

【3】韓豫,陳忠家,王強(qiáng).直齒內(nèi)齒輪冷精鍛成型工藝研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008(12):2-5.

【4】賈俐俐.擠壓工藝及模具[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

【5】夏巨諶,韓鳳麟,趙一平.中國(guó)模具設(shè)計(jì)大典：第4卷[M].南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社,2003.

【6】郝海濱.擠壓模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Numerical Simulation and Mold Design of the Rockshaft Occlusive Forging Process

WANG Gui

(Jiangmen Xingjiang Steering Gear Co.,Ltd., Jiangmen Guangdong 529030,China)

As an important force transmission part in steering system, the rockshaft is required to have high mechanical properties. The method to forge the car rockshafts in a closed mold was proposed, and the occlusion-type molding processes in several programs were stimulated by finite element analysis. Car rockshaft occlusive forming load and forging damage distribution in several kinds of process programs were obtained. A viable process plan was given by analysis. The car rockshaft occlusive mold was designed. Finally through actual production,the car rockshaft occlusive forgings meeting the requirements were obtained.

Car rockshaft; Occlusive forge forming;Finete element analysis;Mold design

2015-10-09

王貴，男，本科，研究方向?yàn)槠囖D(zhuǎn)向系統(tǒng)。E-mail:wanggui0750@163.com。