異形軸套擠壓成形數值模擬及模具載荷分析

甘樹德，夏 華，杜長華，朱 雄

(重慶理工大學 a.特種焊接材料與技術重慶市高校工程研究中心;b.重慶市模具技術重點實驗室，重慶 400054)

軸套作為汽車變速器中的重要零部件，因形狀復雜、尺寸精度要求高使得其成形難度較大［1－2］。異形軸套的傳統制造模式多為機械加工、特種加工等，材料的利用率、生產效率低，產品力學性能不高，不能很好地滿足產品使用要求［3－5］。然而體積成形，特別是冷擠壓成形能夠有效提高生產效率和材料利用率，可獲得表面質量好、尺寸精度高、力學性能好的產品零件，因此被廣泛應用于工業生產中［6］。本研究采用冷擠壓成形技術，并基于DEFORM有限元模擬軟件對異形軸套的成形過程進行了數值模擬分析，根據模擬結果分析軸套的成形情況，通過改善模具結構和力學性能來提高模具的使用壽命［7］，進而為此類零件的實際生產提供理論指導和依據。

1 零件結構及工藝分析

圖1為異形軸套的零件圖，從圖中可以看出該軸套的結構形狀較為復雜，其中外部為帶有曲面、局部縮頸的回轉體，內部存在階梯臺階及花形曲面，零件的壁厚相差較大，最大壁厚為7 mm，最小壁厚為2 mm。根據零件的形狀結構分析可知，該軸套的成形難度集中在外形曲面、內部花形曲面和底部的縮頸。本研究采用冷擠壓成形工藝來加工該零件，具體工藝路線:下料、復合擠壓制坯、預成形、終成形，并在成形工序進行前增加軟化處理和磷化皂化處理等輔助工序，消除坯料的殘余應力和改善坯料的潤滑條件［8］。

圖1 異形軸套零件圖

2 數值模擬結果及分析

在異形軸套冷擠壓成形工藝路線中，預成形是極其重要的一道工序，其工藝原理為:以預制坯作為預成形的毛坯放入預成形凹模型腔中，隨著凸模在一定的擠壓速度下運動，復合擠壓使坯料充滿凹模型腔，完成整個預成形的擠壓過程。通過DEFORM軟件建立有限元模型對軸套的預成形過程進行數值模擬，分析成形過程中坯料的等效應力、等效應變及成形載荷，以驗證采用冷擠壓成形工藝來成形異形軸套的可行性［9］。

2.1 成形過程等效應力分析

異形軸套擠壓預成形過程中坯料的等效應力場如圖2所示。從圖中可以看出，隨著變形量的增加，其應力值為增大的過程。由圖2(a)可見:當外形曲面開始成形時，凸模和坯料底部接觸，外形曲面開始變形，應力集中在凸模和坯料接觸區域以及坯料和凹模接觸區域，其最大應力值為662 MPa。圖2(b)為當外形曲面成形結束、內部形狀開始成形時的應力分布情況，此時整個坯料應力變化區域明顯增大，但應力值變化不大，其最大值為664 MPa。圖2(c)為當坯料和凹模底部完全接觸開始成形時內部形狀的應力分布情況，可見下端應力較小，與凸模完全接觸發生變形的區域應力明顯增大，其值為667 MPa。圖2(d)為成形結束時應力分布情況，此時坯料應力達到最大，最大應力值為696 MPa，分布在坯料變形大的區域。從整個預成形過程的應力變化情況來看，應力較大區域分布在異形軸套成形難度較大的部位，但是預成形件的內部臺階沒有產生折疊缺陷，底部最小壁厚處也沒有出現破裂缺陷。

圖2 成形過程的等效應力分布

2.2 成形過程等效應變分析

異形軸套零件擠壓預成形過程中坯料的應變場如圖3所示。圖3(a)為凸模和坯料接觸成形外形曲面時的應變分布情況，應變變化明顯區域為坯料和凸模接觸發生變形的區域及外形曲面變形區域，其應變最大值為1.12。圖3(b)為當外形曲面成形完成、內部形狀成形開始時的應變分布，坯料的應變上升為1.49。圖3(c)為當坯料與凹模完全接觸、凸模下行成形內部花鍵形狀時的應變分布，其應變最大值為3.08。圖3(d)為成形結束時的應變分布情況，此時應變主要集中在凸模和坯料接觸且變形較大的區域、內形曲面與臺階連接處及底部薄壁處，其最大值為4.71。從軸套預成形過程坯料的等效應變的變化及分布來看，異形軸套的內部臺階和薄壁處的成形質量決定能否順利地采用冷擠壓成形工藝來對其進行擠壓成形。

圖3 成形過程的等效應變分布

2.3 成形過程凸模載荷分析

異形軸套零件擠壓預成形過程中凸模的載荷分布如圖4所示。由圖4可知，隨著變形量的增加其載荷值逐漸增大，隨著成形難度的增大凸模載荷增大的趨勢更為明顯。在第50步時，預成形凸模的載荷值為31.1 kN，此時發生擠壓變形的區域為外形曲面，坯料的尺寸變化較小，凸模承載的載荷值相對較小。在第150步時，外部曲面變形結束，開始成形內部臺階曲面，其載荷值為50.1 kN。在成形第200步時，坯料與凹模完全接觸反擠壓成形內部形狀，成形載荷出現一個急劇上升的階段，其值為182 kN。在第276步時，預成形過程結束，其載荷值為1 300 kN。通過軸套預成形過程的凸模載荷情況分析可知，在成形內部花形曲面時凸模承載的載荷較大，容易產生應力集中并嚴重影響凸模的使用壽命，可以通過改善凸模花形部分的力學性能來提高其承載能力，從而改善模具的使用壽命。

圖4 成形過程中凸模的載荷分布

3 結論

1)通過對異形軸套的預成形過程的數值模擬，分析其在成形過程中等效應力、等效應變的變化情況及分布。結果表明:在成形難度大的區域沒有出現折疊和破裂缺陷，因此采用冷擠壓成形工藝來成形異形軸套是可行的。

2)異形軸套冷擠壓成形的凸模在成形內部花形曲面時所承載的載荷較大，在實際生產過程中可以通過改善凸模的花形部位的力學性能來提高凸模的使用壽命。

［1］呂炎.精密塑性體積成形技術［M］.北京:國防工業出版社，2003:12－13.

［2］洪慎章.擠壓工藝及模具設計［M］.北京:機械工業出版社，1995.

［3］楊煜.國內外冷擠壓技術發展綜述［J］.鍛壓機械，2001(1):3－5.

［4］羅晴嵐.汽車工業“九五”對國內外鍛壓技術裝備的要求［J］.鍛壓機械，1996(3):5－7.

［5］Can Y，Misirli C.Analysis of spur gear forms with tapered tooth profile［J］.Materials and Design，2008，29:829－838.

［6］萬亞飛，吳淑芳.球頭銷冷擠壓工藝及模具設計［J］.模具制造，2014(2):23－26.

［7］夏巨諶.金屬材料精密塑性加工方法［M］.北京:國防工業出版社，2007.

［8］Onuh S O，Ekoja M，Adeyemi M B.Effects of die geometry and extrusion speed on the cold extrusion of aluminum and lead alloys［J］.Journal of Material Processing Technology，2003(132):274－285.

［9］楊立權.襯套冷擠壓成形數值模擬分析與模具設計［J］.煤礦機械，2012(7):131－133.

［10］練毅.外凸臺內齒圈件雙工序反擠壓成形工藝研究［J］.機械傳動，2010(7):65－68.

［11］Feng Qiuhong，Liu Quanqun，Li Yan.Optimum Design of Cold Extrusion Combined Die Based on NN and GA［C］//Proceedings of 2005 and International Conference on Die＆Mould Technology.China:［s.n.］，2005:41－45.

［12］甘樹德.AZ40M鎂合金方形孔軸類零件熱擠壓數值模擬［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(4):47－49.