文/孫志國，劉金華，黃澤全，李子恒·合肥工業(yè)大學(xué)

汽車輸出軸的質(zhì)量要求高，產(chǎn)品需求量大。但傳統(tǒng)的軸類零件車削加工方法無法滿足汽車行業(yè)發(fā)展的需要，實(shí)用、高效的冷精鍛工藝也就應(yīng)運(yùn)而生。采用軟件Deform-3D對(duì)成形過程進(jìn)行模擬，并分析成形過程中工件的各種力學(xué)性能變化，確定最佳工藝方案,最后分析不同參數(shù)對(duì)冷擠壓成形過程的影響，確定用冷擠壓生產(chǎn)汽車輸出軸的最佳工藝參數(shù)。

隨著我國經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展和國際分工體系的變化，汽車與汽車零部件制造已成為我國支柱產(chǎn)業(yè)。預(yù)計(jì)，到2020年我國汽車產(chǎn)量將超越美國成為世界生產(chǎn)汽車的第一大國。研究汽車零部件制造工藝和生產(chǎn)設(shè)備等仍無法滿足國內(nèi)汽車市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的需求。我國精鍛技術(shù)及裝備開發(fā)應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國家差距較大，應(yīng)當(dāng)大力開展這一高新技術(shù)的研究開發(fā)與應(yīng)用，推動(dòng)我國精鍛技術(shù)的進(jìn)步，追上國際先進(jìn)水平，促進(jìn)汽車行業(yè)快速發(fā)展。

輸出軸冷擠壓工藝

冷擠壓是利用金屬塑性變形原理，在室溫條件下將冷態(tài)金屬放入模具型腔，在壓力作用下迫使金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)，通過凸凹模間隙或凹模出口擠出金屬，從而獲得一定形狀、尺寸和具有一定力學(xué)性能的擠壓件的工藝技術(shù)。

零件工藝性分析

圖1所示的汽車輸出軸是軸對(duì)稱的深孔階梯軸，零件材料為20MnCr5。零件有多個(gè)臺(tái)階，深孔部位孔深壁薄，且內(nèi)部凹孔直接加工難以取模，這是該零件的加工難點(diǎn)。根據(jù)該零件工藝特點(diǎn)，需用到擠壓方法有反擠壓、減徑擠壓和鐓擠法等。

圖1 某汽車輸出軸剖面零件圖

工藝方案的設(shè)計(jì)

本次研究的輸出軸冷擠壓成形難點(diǎn)在于右端深孔及薄壁的成形，依據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和塑性成形原理，設(shè)計(jì)了冷擠壓工藝方案為：縮徑→鐓擠→反擠→精加工。將外圓柱φ49mm縮小到φ47mm；鐓擠左側(cè)階梯頭；反擠右端φ31mm深孔，行程54.5mm，完全擠出右端深孔；精加工，各工步如圖2所示。

圖2 冷擠壓工藝方案

數(shù)值模擬結(jié)果分析

⑴縮徑模擬結(jié)果分析。

1)等效應(yīng)力分析。由于減徑擠壓過程變形比較簡(jiǎn)單，全程應(yīng)力分布情況較為一致如圖3所示，減徑擠壓時(shí)等效應(yīng)力主要分布在縮徑臺(tái)階處，從縮徑臺(tái)階處到兩側(cè)等效應(yīng)力逐漸減小，縮徑臺(tái)階前軸中心有橢圓形區(qū)域無等效應(yīng)力，這是因?yàn)樵搮^(qū)域受四面金屬擠壓，處于平衡狀態(tài)，這對(duì)工件心部金屬有一定強(qiáng)化作用。全過程等效應(yīng)力最大值為808MPa。

圖3 等效應(yīng)力模擬圖

2)凸模載荷分析?？s徑時(shí)凸模載荷-行程曲線如圖4所示。開始是工件入模階段，載荷隨工件擠入模具而增加，之后載荷逐漸穩(wěn)定下來?？s徑時(shí)毛坯變形程度較小，金屬變形抗力也較小，因此凸模載荷也較小?？s徑時(shí)凸模載荷在0.92t左右波動(dòng)，載荷最大值僅為2.43t。

圖4 凸模載荷分析

⑵鐓擠模擬結(jié)果分析。

1)等效應(yīng)力分析。鐓擠時(shí)等效應(yīng)力如圖5所示，初期應(yīng)力仍集中分布在鐓粗頭部，不同的是縮徑臺(tái)階以下的部分幾乎無應(yīng)力作用，這是因?yàn)榭s徑臺(tái)階的存在對(duì)毛坯阻礙及摩擦作用大。應(yīng)力分布情況與其他方案中相近，都以凸緣部分等效應(yīng)力最大，但最大應(yīng)力值僅為808MPa。

圖5 等效應(yīng)力分析

2)凸模載荷分析。

鐓擠時(shí)凸模載荷-行程曲線如圖6所示。初期凸模載荷緩慢增長(zhǎng)，最后階段由于各拐角處金屬難以填充，載荷急劇上升，最大載荷為8.90t。

⑶第一次反擠模擬結(jié)果分析。

圖6 凸模載荷分析

1)等效應(yīng)力分析。圖7所示的等效應(yīng)力減小，有利于減小凸模磨損，提高模具壽命。

圖7 等效應(yīng)力分析

2)凸模載荷分析。圖8所示的反擠工序載荷值穩(wěn)定在1.74t左右，最大載荷約為1.98t。

圖8 凸模載荷分析

⑷第二次反擠模擬結(jié)果分析。

1)等效應(yīng)力分析。第二次反擠時(shí)，由于縮徑臺(tái)階在已變形區(qū)，模具臺(tái)階對(duì)變形區(qū)金屬向后流動(dòng)起阻礙作用，因此除凸模前等效應(yīng)力較集中外，縮徑臺(tái)階處也存在較大的等效應(yīng)力如圖9所示，最大等效應(yīng)力值仍為808MPa。因此，需特別注意凹模臺(tái)階處模具的潤滑處理。

圖9 等效應(yīng)力分析

2)凸模載荷分析。第二次反擠時(shí)凸模載荷曲線如圖10所示，隨著行程增加，載荷緩慢增長(zhǎng)，但增幅不大，最終載荷最大值為2.20t。

圖10 凸模載荷分析

冷擠壓工藝的優(yōu)化

縮徑過程

圖11為擠壓速度在2mm/s、5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s時(shí),凸模最大載荷的變化情況?？梢婋S擠壓速度提高，凸模載荷升高。但由于變形不大，影響并不明顯。由于不同擠壓速度下模擬結(jié)果均顯示零件成形良好。故綜合考慮凸模承載穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率，縮徑時(shí)擠壓速為10mm/s較為合適。

圖11 不同擠壓速度下的載荷曲線

鐓擠過程

鐓擠過程變形量大，零件成形效果受擠壓速度影響較明顯如圖12所示，當(dāng)擠壓速度大于3mm/s時(shí)，零件開始出現(xiàn)階梯處填充不滿及左端面飛邊缺陷。這是因?yàn)閿D壓速度過快，階梯處來不及填充滿，多余金屬從沖頭與凹模微小間隙擠出形成飛邊。

圖12 鐓擠時(shí)不同擠壓速度下零件成形質(zhì)量

反擠過程

反擠時(shí)凸模載荷呈現(xiàn)出隨擠壓速度上升而下降的趨勢(shì)如圖13所示。這一方面是因?yàn)閿D壓速度快，金屬變形速率大，溫度升高，升溫對(duì)金屬毛坯有軟化作用，因此使凸模載荷減??；另一方是因?yàn)楦咚僮冃螘r(shí)模具與工件能形成良好的潤滑狀態(tài)，因此隨變形速度增大，摩擦因數(shù)減小，從而使凸模載荷減小。但內(nèi)孔表面溫度升高更容易產(chǎn)生表面缺陷，圖14為擠壓速度為7mm/s時(shí)零件表面損傷分布，兩處最大損傷值分別為3.75和8.92，很可能會(huì)產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過多組模擬發(fā)現(xiàn)擠壓速度為5mm/s時(shí)，成件質(zhì)量較好。

圖13 鐓擠過程擠壓速度對(duì)凸模載荷的影響

圖14 V=7mm/s 時(shí)零件損傷分布

結(jié)論

本文主要運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了汽車輸出軸冷精鍛成形工藝的研究，取得了一些預(yù)期的研究成果。但受能力、設(shè)備等方面的限制，研究成果有限，還不足以應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，還存在一些待解決的問題，現(xiàn)概括如下：

⑴本文主要分析了輸出軸冷擠壓成形工藝，只是簡(jiǎn)單的解決了一些工藝方面的問題，為節(jié)省運(yùn)算時(shí)間對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量簡(jiǎn)化。要獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果，必須考慮模具形狀及結(jié)構(gòu)對(duì)成形過程的影響，分析工藝方案和工藝參數(shù)時(shí)也必須考慮模具磨損及受力情況，這樣才可以真正獲得最優(yōu)方案。

⑵本文運(yùn)用 Deform-3D 軟件對(duì)成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建立了剛塑性有限元模型，而實(shí)際生產(chǎn)中金屬和模具還存在彈性變形，并且Deform-3D軟件本身也有一定局限性，因此模擬結(jié)果與實(shí)際情況有一定差距。要獲得更精確的模擬結(jié)果，還需完善有限元模型，如采用更精確的彈塑性有限元模型進(jìn)行模擬。