汽車前橋空心短軸的熱擠壓成形工藝數(shù)值模擬研究

韋國(guó)強(qiáng)　　管延錦　　朱立華　　解振東　　孫德朋

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司，濟(jì)南 250101）

汽車前橋空心短軸的熱擠壓成形工藝數(shù)值模擬研究

韋國(guó)強(qiáng)1管延錦1朱立華1解振東1孫德朋2

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司，濟(jì)南 250101）

針對(duì)某汽車前橋短軸類零件成形制造中存在的生產(chǎn)效率和材料利用率低的問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了熱擠壓成形制造工藝。通過(guò)正交法設(shè)計(jì)多組參數(shù)條件進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了熱擠壓終成形工步的工藝參數(shù)優(yōu)化，獲得了最優(yōu)的成形效果，達(dá)到了提高生產(chǎn)效率、材料利用率以及零件質(zhì)量的目標(biāo)。

空心短軸熱擠壓數(shù)值模擬優(yōu)化

引言

汽車前橋空心短軸是汽車前橋轉(zhuǎn)向系中的一個(gè)重要零件，其制造質(zhì)量和精度直接影響汽車的轉(zhuǎn)向精度、運(yùn)動(dòng)效率、使用壽命等。目前，我國(guó)大多數(shù)生產(chǎn)廠家采用的生產(chǎn)工藝為：采用棒料通過(guò)楔橫軋成形出其外形特征，然后采用機(jī)加工加工內(nèi)孔特征［1］。顯然，該工藝具有以下缺點(diǎn)：（1）后續(xù)鉆孔過(guò)程產(chǎn)生大量的廢料，導(dǎo)致材料的利用率較低；（2）內(nèi)徑有階梯和斜度，鉆孔加工難度大，耗時(shí)長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低；（3）軋制過(guò)程軸向精度難以保證，加大了機(jī)加工的難度。

因此，提高生產(chǎn)效率和材料利用率是汽車前橋短軸零件成形制造中需要迫切解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文針對(duì)某一型號(hào)的汽車前橋短軸類零件，提出并設(shè)計(jì)了熱擠壓成形制造工藝，并采用數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)的方法，優(yōu)化其成形工藝參數(shù)，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1空心短軸熱擠壓工藝的設(shè)計(jì)

1.1零件圖的分析

該空心短軸選用低合金鋼20CrMoH，具有較好的塑性和韌性，形狀如圖1所示，屬于回轉(zhuǎn)體零件，所需的擠壓力較小，不容易引起模具過(guò)載。零件的最大與最小斷面積之差較小，在擠壓過(guò)程中不均勻變形的程度小，材料不容易破裂。零件中心通孔孔徑較大，不易引起形狀畸變，同時(shí)能夠保證凸模具有足夠的強(qiáng)度，不會(huì)因?yàn)槌尚畏戳Φ淖饔枚鴵p壞。

圖1某汽車前橋短軸類零件簡(jiǎn)圖

1.2鍛件圖的設(shè)計(jì)

該空心短軸階梯較多，斷面過(guò)渡較為突然，因此在鍛件圖中應(yīng)該進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。零件的大端處有一凹陷的階梯，如圖1所示1處，鍛造成形過(guò)程中阻礙脫模，應(yīng)將該部分進(jìn)行填補(bǔ)，使其階梯過(guò)渡更加平和。2所示為一連續(xù)階梯，在擠壓過(guò)程中，連續(xù)小階梯處會(huì)產(chǎn)生較大的阻力阻礙金屬流動(dòng)，同時(shí)加劇對(duì)模具的磨損，采用直接填補(bǔ)的方法將2所示的小階梯合并。3處所示為一倒角圓，該細(xì)節(jié)無(wú)法經(jīng)過(guò)鍛造成形，因此后期采用機(jī)加工成形。4處所示為一階梯加錐面過(guò)渡，為了簡(jiǎn)化模具減小阻力，改為直接錐面過(guò)渡。5處所示為截面積差別不大的筒型，擠壓無(wú)法成形，因此改為最大直徑的直筒，一次擠壓成型。同時(shí)，適量增加壁厚可以減少擠壓過(guò)程中筒壁的變形［2］。最終設(shè)計(jì)的冷鍛件圖形狀及結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2設(shè)計(jì)的冷鍛件示意圖

1.3成形方案的設(shè)計(jì)

該汽車前橋空心短軸是一種鍛造比較大的零件，根據(jù)塑性成形的基本規(guī)則，設(shè)計(jì)成形方案如圖3所示，由下料、加熱、預(yù)擠壓成形、沖連皮、熱擠壓終成形工步組成。

圖3某汽車前橋空心短軸成形方案

2　終成形工藝參數(shù)優(yōu)化

熱擠壓成形過(guò)程金屬流動(dòng)劇烈，模具磨損嚴(yán)重，尤其是成形過(guò)程受相關(guān)工藝參數(shù)的影響顯著，如何實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化是熱擠壓成形工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一?；谟邢拊獢?shù)值模擬的正交實(shí)驗(yàn)方法，可以有效實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化。

2.1有限元模型的建立

利用DEFORM軟件模擬汽車前橋空心短軸成形工藝的求解第一步就是導(dǎo)入坯料和模具的幾何模型，由于DEFORM沒(méi)有CAD造型的工具，所以采用CAXA和UG先進(jìn)行二維和三維造型，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成stl或igs格式導(dǎo)入DEFORM軟件中，生成相應(yīng)的CAE模型。

（1）材料參數(shù)設(shè)定。汽車前橋空心短軸材料為20CrMoH，是一種廣泛采用的結(jié)構(gòu)鋼，加工制造和焊接性能良好。對(duì)照材料的各項(xiàng)性能參數(shù)，在DEFORM中可以近似將材料對(duì)應(yīng)為AISI-4120［70-2200F（20-1200C）］，為各向同性變形體。模具材料為H13模具鋼，將模具設(shè)置為剛性體。

（2）參數(shù)條件的設(shè)置。該空心短軸零件為典型的回轉(zhuǎn)體零件，因此采用deform2D進(jìn)行設(shè)置和模擬會(huì)大大減少運(yùn)算量，節(jié)省時(shí)間。采用子午面進(jìn)行模擬，因此要設(shè)置軸對(duì)稱邊界。對(duì)稱邊界設(shè)置零位移和絕熱條件，對(duì)應(yīng)方向設(shè)置節(jié)點(diǎn)速度為0，對(duì)于其他導(dǎo)熱邊界設(shè)置合適的換熱系數(shù)［3］。在模擬的預(yù)處理階段，要對(duì)坯料和模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且對(duì)如坯料溫度、模具溫度、凸模下行速度、壓下量、步長(zhǎng)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。所建立的有限元模型如圖4所示。

圖4空心短軸熱擠壓有限元模型

2.2正交試驗(yàn)

選取擠壓溫度、模具溫度以及擠壓速度為設(shè)計(jì)變量，以成形載荷最小為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)3因素4水平的正交試驗(yàn)表，見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)表

表2正交試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)正交試驗(yàn)的結(jié)果，計(jì)算F值來(lái)分析顯著影響因素。F比是指因素水平改變引起的平均偏差平方和與誤差的評(píng)價(jià)偏差平方和的比值，反映了各種因素對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度大?。?］。計(jì)算得F0.1=2.81，選取的區(qū)間范圍內(nèi)，擠壓溫度、模具溫度、擠壓速度分別對(duì)應(yīng)的F比為2.947、0.034、0.019。因?yàn)閿D壓溫度的F比大于F0.1，所以有90%的把握認(rèn)為擠壓溫度對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果有顯著的影響，而其他兩個(gè)因素則無(wú)明顯影響。綜合考慮，當(dāng)擠壓溫度為1100℃，模具溫度為300℃，擠壓速度為30mm/s時(shí)，擠壓成形載荷較小，同時(shí)可保證擠壓件成形質(zhì)量，獲得最優(yōu)的成形效果。

3.3優(yōu)化工藝參數(shù)下的數(shù)值模擬分析

采用優(yōu)化的擠壓工藝參數(shù)，對(duì)該汽車前橋空心短軸的熱擠壓終成形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

（1）材料流速分析。圖5給出了成形過(guò)程不同時(shí)刻的流速分布。在成形開(kāi)始時(shí)，凸模接觸坯料上表面，此時(shí)材料未發(fā)生明顯變形，因此流速幾乎為零。隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行，材料逐漸向凹模出口處流動(dòng)，橫截面積不斷減小，流速迅速增加。當(dāng)材料從凹模擠出后，橫截面積達(dá)到最小，該部分材料流速也達(dá)到最大，其余各部分基本保持現(xiàn)有流速到最終成型［5］。從整個(gè)變形過(guò)程來(lái)看，流速基本符合擠壓過(guò)程的一般規(guī)律，整個(gè)變形過(guò)程比較穩(wěn)定，可以保證良好的成形質(zhì)量。

（2）應(yīng)力應(yīng)變分析。圖6給出了成形過(guò)程不同時(shí)刻的等效應(yīng)變分布?？梢钥闯?，擠壓初期材料的應(yīng)變較小，變形劇烈的區(qū)域主要集中在凹模型腔拐角處。隨著擠壓過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，材料內(nèi)外表面應(yīng)變開(kāi)始逐漸加大，凹模型腔拐角處的應(yīng)變?nèi)匀惠^大，最大達(dá)到3.85。

圖5成形過(guò)程不同時(shí)刻的流速分布

圖6成形過(guò)程不同時(shí)刻的等效應(yīng)變分布

圖7成形過(guò)程不同時(shí)刻的等效應(yīng)力分布

圖7為成形過(guò)程不同時(shí)刻的等效應(yīng)力分布。顯然，隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行，材料凸緣部分的等效應(yīng)力在不斷的增大，擠壓結(jié)束時(shí)，凸緣處有輕微應(yīng)力集中，最大為342MPa，處于合理的范圍之內(nèi)。材料從凹模擠出后變?yōu)樽杂啥?，?yīng)力變?yōu)?。

（3）載荷行程曲線分析。圖8為模擬獲得的載荷行程曲線。載荷隨行程變化大致分為三個(gè)階段：首先，在變形初期載荷緩慢增加；當(dāng)模具和材料基本完全接觸時(shí)，凸模繼續(xù)下行，載荷急劇增加；最后，當(dāng)材料開(kāi)始從凹模擠出時(shí)，成形進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，載荷基本保持穩(wěn)定［6］，熱擠壓成形力為3640kN。

圖8載荷行程曲線

4結(jié)論

（1）針對(duì)某汽車前橋短軸類零件，提出并設(shè)計(jì)了熱擠壓成形制造工藝，由下料、加熱、預(yù)擠壓成形、沖連皮和熱擠壓終成形工步組成，達(dá)到了提高生產(chǎn)效率、材料利用率以及零件質(zhì)量的目標(biāo)。

（2）采用數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)的方法，實(shí)現(xiàn)了熱擠壓終成形工步的工藝參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)擠壓溫度為1100℃，模具溫度為300℃，擠壓速度為30mm/s時(shí)，擠壓成形載荷較小，同時(shí)可保證擠壓件成形質(zhì)量，獲得最優(yōu)的成形效果。

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StudyonNumericalSimulationofHotExtrusion Process of Automobile's Hollow Front Axle

WEIGuoqiang1，GUANYanjin1，ZHULihua1，XIEZhendong1，SUN Depeng2
（1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2.Jinan Branch of Shandong Iron and Steel Company Ltd.，Jinan 250101，China）

A hot extrusion process was proposed to improve the productivityandthematerialutilizationinthemanufactureof automobile's hollow front axle.Numerical simulations under various conditions designed by the orthogonal method were done to optimize parameters of the final step of hot extrusion process.Finally the productionefficiency，materialutilizationandproductqualitywere improved and the optimal shaping quality was achieved.

hollow front axle，hot extrusion，numerical simulation，optimization