基于數(shù)值模擬的動(dòng)力輸出軸鍛件坯料優(yōu)化

徐 輝，徐學(xué)春

(上海交通大學(xué)模具CAD國(guó)家工程研究中心，上海模具技術(shù)研究所有限公司，上海 200135)

0 引言

動(dòng)力輸出軸是動(dòng)力機(jī)械裝置傳遞扭矩輸出動(dòng)力的關(guān)鍵部件之一，在機(jī)械設(shè)備工作中承受著復(fù)雜的交變扭矩和彎曲應(yīng)力，因此常常出現(xiàn)疲勞裂紋和斷裂現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備故障和零件失效[1]。因此，動(dòng)力輸出軸需要更高的力學(xué)強(qiáng)度和機(jī)械性能。

有限元模擬(FEA)塑性成型的原理是利用某種類(lèi)型的單元將連續(xù)的變形體進(jìn)行離散，同時(shí)將整個(gè)變形過(guò)程分為若干時(shí)間加載步長(zhǎng)。通過(guò)計(jì)算每一加載步上各節(jié)點(diǎn)和單元的物理場(chǎng)，來(lái)分析變形體在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)行為及各種熱學(xué)、力學(xué)場(chǎng)量的變化規(guī)律，為模具設(shè)計(jì)和實(shí)際加工提供依據(jù)[2]。隨著有限元理論的不斷完善和數(shù)值仿真技術(shù)的日趨成熟，使得數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造成型工藝及模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)成為評(píng)判工藝成型性的重要手段[3]。采用FEA不僅可以很好地描述金屬在成型過(guò)程中的流動(dòng)情況、鍛件內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)規(guī)律，還能定量計(jì)算出金屬變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布狀態(tài)，預(yù)測(cè)成型缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)而可以對(duì)整體鍛造工藝進(jìn)行仿真和優(yōu)化，改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)和相應(yīng)工藝參數(shù)，從而有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本[4-5]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方案

某汽車(chē)零部件生產(chǎn)廠商為某型號(hào)重卡生產(chǎn)的動(dòng)力輸出軸零件如圖1所示，材質(zhì)為40CrMoV5，化學(xué)成分詳見(jiàn)表1。產(chǎn)品圖樣要求： 鍛件表面無(wú)氧化皮存在，不允許有夾層、折疊、裂紋、過(guò)燒、過(guò)熱等缺陷；鍛件金屬纖維流線應(yīng)沿軸向分布；鍛件等溫正火硬度179～219(同件不同部位硬度≤5 HB；同一批不同實(shí)件硬度≤15 HB)。該構(gòu)件為動(dòng)力輸出的關(guān)鍵零部件，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中傳遞較大的交變扭矩，特別是傳遞扭矩的零件頂端的端齒，其剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命等機(jī)械性能的可靠性尤為重要。為保證零件的機(jī)械性能可靠性，采用鍛造工藝對(duì)坯料進(jìn)行成型加工，并在終鍛工藝完成后，按圖1(a)的方式對(duì)零件表面進(jìn)行切削，同時(shí)檢查零件是否存在夾層、裂紋和折疊等缺陷。產(chǎn)品成型工藝路線具體為： 下料→預(yù)制坯→終鍛成型→熱處理(正火)→機(jī)加工，而本文主要針對(duì)預(yù)制的終鍛成型工藝進(jìn)行研究。研究采用FORGE NXT鍛壓成型數(shù)值模擬軟件對(duì)輸出軸成型工藝進(jìn)行仿真分析，獲取其金屬流動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，然后確定影響成型工藝參數(shù)，優(yōu)化坯料的結(jié)構(gòu)模形，最終提高產(chǎn)品良品率。

(a) 零件機(jī)加工輪廓

(b) 零件3維結(jié)構(gòu)圖1 輸出軸結(jié)構(gòu)(單位： mm)

表1 輸出軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 數(shù)值模擬

根據(jù)終鍛產(chǎn)品的零件結(jié)構(gòu)，預(yù)估型腔內(nèi)金屬流動(dòng)趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了甲、乙兩種結(jié)構(gòu)的預(yù)鍛坯料，在階梯處加大倒角設(shè)計(jì)，利于成型過(guò)程中金屬流動(dòng)，減小殘余應(yīng)力。坯料乙比坯料甲在預(yù)制結(jié)構(gòu)上更接近終鍛產(chǎn)品。將兩者的3D模型導(dǎo)入FORGE軟件中，并按照相同規(guī)格對(duì)兩種預(yù)制坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示。網(wǎng)格劃分采用FORGE軟件自帶的3A網(wǎng)格劃分技術(shù)，即自動(dòng)劃分、自動(dòng)加密、自適應(yīng)網(wǎng)格。網(wǎng)格單元為四面體，網(wǎng)格尺寸為1.5 mm。坯料甲共劃分35 565個(gè)節(jié)點(diǎn)，197 118個(gè)單元；坯料乙共劃分36 405個(gè)節(jié)點(diǎn)，202 064個(gè)單元。然后按照表2的參數(shù)定義邊界條件，坯料溫度為1 100℃，模具材質(zhì)為模具鋼，預(yù)熱溫度為250℃。

(a) 預(yù)制坯料甲

(b) 預(yù)制坯料乙圖2 預(yù)制坯料

表2 邊界條件參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

圖3是兩種坯料形式終鍛過(guò)程中的金屬填充仿真效果，坯料甲的填充演化如圖3(a)所示，坯料甲在0.52 s時(shí)開(kāi)始對(duì)端齒進(jìn)行填充，填充過(guò)程中在端齒兩側(cè)區(qū)域出現(xiàn)明顯的熱開(kāi)裂缺陷(圖中已標(biāo)識(shí))，但隨著填充持續(xù)，端齒兩側(cè)的裂縫逐漸閉合。坯料乙的填充演化如圖3(b)所示，由于坯料乙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更接近終鍛零件結(jié)構(gòu)，成型速度更快，端齒兩側(cè)在成型過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)坯料甲中出現(xiàn)的開(kāi)裂缺陷。因此，乙方案的鍛造填充性能更為優(yōu)異。

(a) 坯料甲填充演變

(b) 坯料乙填充演變圖3 鍛件填充演變

圖4和圖5分別為零件終鍛后的溫度分布和應(yīng)變分布。由圖4和圖5可知： 零件在鍛造過(guò)程中，端齒和飛邊區(qū)域會(huì)發(fā)生較為顯著的變形不均，并產(chǎn)生更大的等效應(yīng)變，而與之相伴的塑性功轉(zhuǎn)化為熱量。有研究表明： 塑性應(yīng)變?cè)酱?，通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流等熱傳遞方式散失的熱量越少。兩因素疊加導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高，產(chǎn)生熱塑性效應(yīng)[6-8]。由于更高的溫度和更大的塑性應(yīng)變會(huì)誘導(dǎo)更為顯著的組織演化，可預(yù)見(jiàn)端齒和飛邊區(qū)域的溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的極度不均勻性將導(dǎo)致更為顯著的組織不均勻，進(jìn)而影響零件整體的力學(xué)性能。

(a) 坯料甲溫度場(chǎng)

(b) 坯料乙溫度場(chǎng)圖4 溫度場(chǎng)

(a) 坯料甲等效應(yīng)變

(b) 坯料乙等效應(yīng)變圖5 等效應(yīng)變

對(duì)比甲、乙兩種方案，可發(fā)現(xiàn)甲方案會(huì)導(dǎo)致更高的鍛造溫度和更大的塑性應(yīng)變，即其溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)存在更為顯著的不均勻性，將弱化零件的組織均勻性。因此，從零件性能均勻性角度出發(fā)，乙方案更優(yōu)。

動(dòng)力輸出軸屬于傳動(dòng)軸，其主要功能是傳遞扭矩，輸出動(dòng)力，工況惡劣。傳動(dòng)軸主要失效形式為疲勞斷裂，因此對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，特別是開(kāi)裂、折疊、填充不足等缺陷需重點(diǎn)關(guān)注[5]。圖6為甲、乙兩種預(yù)制坯料的折疊缺陷預(yù)測(cè)圖。圖中采用紅色表示折疊缺陷。對(duì)比圖6(a)， 6(b)，可觀察到兩者折疊分布區(qū)域類(lèi)似，主要分布在大變形區(qū)域，如端齒表面和兩側(cè)，飛邊，內(nèi)凹槽底部，軸下端階梯處，特別是在飛邊處和端齒表面大量集中，基本和圖5中的等效應(yīng)變分布區(qū)域相同。但由于圖6所示的折疊缺陷主要集中在零件表面，后續(xù)機(jī)加切削可將大部分折疊缺陷切除。

(a) 坯料甲折疊缺陷

(b) 坯料乙折疊缺陷圖6 折疊缺陷

產(chǎn)品模鍛時(shí)，應(yīng)力求使金屬按照同一方向沿模鍛件外形流動(dòng)，避免金屬的流向交叉、對(duì)流、急劇彎折和形成漩渦。必須使模鍛件的纖維組織分布合理，使鍛件工作時(shí)所受壓力與纖維組織方向垂直，拉力順著纖維組織方向[9-10]。這樣才能保證其組織均勻和力學(xué)性能好。圖7(a)和7(b)分別為甲、乙兩種坯料各自終鍛后的金屬流線圖，兩者流線分布大致相同，特別是端齒處流線密集，分布均勻且合理，且與所使用載荷力方向垂直，具有較好的力學(xué)性能。然而，甲方案[圖7(a)]出現(xiàn)了一些流線折彎和分布不合理現(xiàn)象。而乙方案[圖7(b)]卻顯示出更為合理的流線分布，因此從流線的角度，乙方案更優(yōu)。

(a) 預(yù)制坯料甲金屬流線圖

(b) 預(yù)制坯料乙金屬流線圖圖7 金屬流線

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)甲、乙兩種預(yù)制坯料的數(shù)值模擬結(jié)果，選擇較優(yōu)的預(yù)制坯料乙作為實(shí)驗(yàn)方案，按照數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)計(jì)產(chǎn)品終鍛工藝參數(shù)，車(chē)間試模生產(chǎn)預(yù)制坯料乙，然后進(jìn)行終鍛實(shí)驗(yàn)。成功得到了如圖8所示的熱鍛件。從鍛件的幾何形狀來(lái)看，工藝實(shí)驗(yàn)所得鍛件與熱鍛模擬結(jié)果兩者一致。根據(jù)預(yù)制坯料乙的數(shù)值模擬分析，折疊、開(kāi)裂等缺陷主要集中在端齒兩側(cè)、端面和環(huán)側(cè)面。對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行機(jī)加工切削檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)存在相關(guān)缺陷，產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，印證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，避免了產(chǎn)品缺陷。

(a) 環(huán)側(cè)面機(jī)加工切削檢測(cè)樣品

(b) 端面機(jī)加切削檢測(cè)樣品圖8 實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)零件

5 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)了兩種預(yù)制坯料結(jié)構(gòu)，并利用FORGE軟件建立了有限元模型，模擬了動(dòng)力輸出軸的終鍛成型過(guò)程，分析了成型過(guò)程中的溫度場(chǎng)、等效應(yīng)變場(chǎng)、材料流動(dòng)情況等變化規(guī)律。

(2) 通過(guò)對(duì)比分析兩種模擬結(jié)果，選擇預(yù)制坯料乙作為實(shí)際生產(chǎn)的工藝方案。成功試制出輸出軸鍛件，鍛件形狀滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，無(wú)折疊、填充不足等缺陷，證明了預(yù)鍛方案乙的可行性。