空心階梯軸溫?cái)D壓成形數(shù)值模擬

陶善虎

(安徽合肥汽車鍛件有限公司，合肥 230009)

階梯軸是組成機(jī)器的支撐回轉(zhuǎn)及傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的重要零件，該零件對生產(chǎn)技術(shù)要求較高，成品件既要有較高的強(qiáng)度，又要有良好的韌性。傳統(tǒng)加工方法多采用多道次車削加鉆孔，不僅需要大型生產(chǎn)設(shè)備，而且加工道次多，材料利用率低，耗時(shí)較多;同時(shí)采用此類機(jī)械加工方法還會切斷材料的纖維流線，削弱零件的承載能力，使得材料性能無法達(dá)到預(yù)期的要求[1—8]。

溫?cái)D壓成形技術(shù)是近年來在冷擠壓塑性成形技術(shù)基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一種少無切屑塑性成形新工藝，又稱溫?zé)釘D壓。與冷、熱擠壓不同，溫?cái)D壓在擠壓之前就對毛坯進(jìn)行加熱，但其加熱溫度通常在室溫以上、完全再結(jié)晶溫度以下。目前，常見的溫?cái)D壓溫度范圍，黑色金屬200～850℃;奧氏體不銹鋼200～400℃;有色金屬鋁及鋁合金20～250℃;銅及銅合金20～350℃。在金屬塑性成形加工生產(chǎn)中，溫?cái)D壓成形技術(shù)既能解決各種材料的塑性成形問題，又能滿足復(fù)雜形狀零件的充填問題，并且鍛件的氧化、脫碳顯著減輕，易于保證鍛件的表面質(zhì)量，尺寸精度高。近年來，各產(chǎn)業(yè)部門都十分關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用[9—15]。

綜合成形考慮成形力、成形載荷、鍛件質(zhì)量及模具壽命等多方面因素，文中借助Deform-3D有限元軟件對空心階梯軸溫?cái)D壓成性工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，以驗(yàn)證工藝方案的可行性。

1 工藝分析

該類空心階梯軸零件如圖1所示。零件內(nèi)部存在直徑不一的圓柱型空心階梯，由于該件內(nèi)部階梯窄而長，在其細(xì)窄端空心部分尺寸為 φ9.3 mm×39 mm，長徑比過大，所以直接擠壓成形可能會導(dǎo)致成形載荷較大，且采用直接擠壓的方式，沖頭受力狀態(tài)惡劣，產(chǎn)生的壁厚誤差大，精度難以控制，同時(shí)對于沖頭的要求也相當(dāng)之高，極易導(dǎo)致沖頭損壞。因此在細(xì)窄端的通孔不在擠壓時(shí)擠出，而是在后期機(jī)加工中車削成形。同時(shí)為減少對沖頭的損傷，采用2道次擠壓成形工藝，分別擠出φ24 mm的階梯及φ15.2 mm的階梯孔。

圖1 空心階梯軸零件示意圖Fig.1 Sketch map of Hollow Stepped Shaft

2 有限元模型的建立

空心階梯軸溫?cái)D壓成形有限元模型如圖2所示。結(jié)合成形過程中結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，為提高模擬效率，減少計(jì)算時(shí)間，只對空心階梯軸溫?cái)D壓的1/2模型進(jìn)行模擬工作，利用Deform-3D軟件進(jìn)行有限元分析。坯料為塑性體，材料選用20CrMo，根據(jù)UG計(jì)算得空心階梯軸體積為47571 mm3，根據(jù)零件的尺寸特征及體積不變原理，選用坯料尺寸為φ25.8 mm×101 mm的棒料，成形溫度為450℃，摩擦因子為0.25，模具為剛性體。圖3為一道次所用沖頭示意圖，圖4為二道次所用沖頭示意圖。采用油壓機(jī)成形，擠壓過程中，先用沖頭一以2 mm/s的速度向下擠壓81.1 mm，再利用沖頭二以相同的速度向下進(jìn)給18.3 mm擠壓坯料，完成擠壓件的成形。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

圖3 一道次沖頭Fig.3 Top die of 1st pass

圖4 二道次沖頭Fig.4 Top die of 2nd pass

3 溫?cái)D壓數(shù)值模擬結(jié)果分析

空心階梯軸溫?cái)D壓成形的最終鍛件如圖5所示。從圖5可以看出，該鍛件各部分充填良好，沒有折疊。鍛件的壁厚均勻，金屬變形均勻，且各部分尺寸較為精確，符合要求。

圖5 最終鍛件Fig.5 Sketch map of the final forging

3.1 第一道次模擬結(jié)果分析

3.1.1 第一道次等效應(yīng)變

第一道次各階段鍛件等效應(yīng)變分布如圖6所示。由圖6可知，鍛件的應(yīng)變呈對稱分布。當(dāng)壓下量為25%時(shí)，由圖6a可以看出變形主要集中在坯料上端，此部分金屬在沖頭及凹模桶的作用下發(fā)生鐓粗變形，此時(shí)變形量較小，所以該階段等效應(yīng)變也較小。

圖6 等效應(yīng)變分布圖(第一道次)Fig.6 Distribution of the equivalent strain(1st pass)

當(dāng)下壓量為50%時(shí)，由圖6b可以看出，上端金屬在凹模內(nèi)受到?jīng)_頭的作用產(chǎn)生反擠，充填沖頭與凹模的間隙，而下端的金屬發(fā)生正擠，充填凹模型腔。隨著沖頭繼續(xù)下行擠壓坯料，上端金屬由于不斷反擠，等效應(yīng)變逐漸積累，變形量大，因此鍛件上端等效應(yīng)變較大，而鍛件下端發(fā)生塑性變形，等效應(yīng)變的積累量較小，所以等效應(yīng)變較小。

當(dāng)下壓量為75%時(shí)，由圖6c可以看出，反擠開始一段時(shí)間后，隨著鍛件與模具的接觸面積增加，摩擦力增大，金屬變形困難，此時(shí)反擠很難繼續(xù)進(jìn)行，對比圖6d可知，此階段上端金屬的等效應(yīng)變變化不大，近似剛性平移;而下端金屬的等效應(yīng)變增加較為明顯，可知此階段金屬的變形主要為下端金屬的正擠壓充填型腔過程。壓下量為100%的結(jié)果如圖6d所示，等效應(yīng)變分布較為均勻，鍛件的充填效果較好，最大應(yīng)變?yōu)?12.3。

3.1.2 第一道次速度場

第一道次各階段鍛件速度場分布如圖7所示。壓下量為25%的結(jié)果如圖7a所示，坯料在沖頭的作用下產(chǎn)生塑性變形，金屬主要沿著沖頭運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)，此時(shí)下端金屬受到凹模型腔的限制，速度較小，變形主要為上端金屬的鐓粗變形充填型腔，此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在坯料上端產(chǎn)生橫向流動(dòng)的金屬。

壓下量50%和75%時(shí)，此階段上端金屬在沖頭的作用下發(fā)生反擠，上端金屬反擠流動(dòng)速度較快，底端金屬正擠充填型腔較慢，與沖頭接觸部分金屬發(fā)生橫向流動(dòng)以保證反擠的進(jìn)行，此階段鍛件以反擠充填型腔一為主。

壓下量為100%的結(jié)果如圖7d所示，由圖7d可知，由于頂端金屬反擠后與模具的接觸面積增大，導(dǎo)致兩者之間的摩擦力迅速增大，反擠金屬流動(dòng)速度降低，近似剛性平移，底端金屬流動(dòng)速度增加，發(fā)生正擠壓變形，快速充填型腔，此階段在凹模型腔的拐角處存在金屬流動(dòng)死區(qū)，金屬以正擠充填型腔三為主。

圖7 流動(dòng)速度分布(第一道次)Fig.7 Velocity profile(1st pass)

3.1.3 第一道次成形載荷分析

第一道次擠壓成形的載荷-行程曲線如圖8所示，由圖8可知該鍛件第一道次成形可分為5個(gè)階段:OA段，沖頭在接觸坯料的極短時(shí)間內(nèi)，載荷快速升高直至坯料發(fā)生塑性變形;AB段，當(dāng)金屬開始進(jìn)入鐓粗成形階段時(shí)，載荷平穩(wěn)緩慢上升;BC段，當(dāng)上端金屬在沖頭一的作用下開始反擠充填型腔一時(shí)，由于反擠變形的特點(diǎn)，沖頭載荷迅速上升，最大載荷達(dá)到56 t。CD段，此階段為正反復(fù)合擠階段，上端金屬的反擠變形與下端金屬的正擠變形同時(shí)發(fā)生，此階段載荷保持平穩(wěn);當(dāng)?shù)竭_(dá)D點(diǎn)后，由于上端金屬反擠困難，變形主要為下端金屬正擠壓充填填型腔三，由于正擠所需載荷小于反擠所需載荷，所以存在載荷緩慢下降的趨勢，最終載荷是35 t。

圖8 載荷-行程曲線(第一道次)Fig.8 Load-stroke curve(1st pass)

3.2 第二道次模擬結(jié)果分析

3.2.1 第二道次等效應(yīng)變

第二道次各階段鍛件等效應(yīng)變分布如圖9所示，由圖9可知，零件的應(yīng)變呈對稱分布，在金屬與沖頭接觸部分及凹模型腔圓角處，等效應(yīng)變最大。由于第二道次擠壓成形時(shí)，上端金屬不產(chǎn)生塑性變形，近似剛性平移，所以此部分等效應(yīng)變變化不大，變形主要集中在鍛件內(nèi)部空心腔的成形，由于該部分變形量大，所以等效應(yīng)變大，最大等效應(yīng)變?yōu)?.1。

圖9 等效應(yīng)變分布(第二道次)Fig.9 Distribution of the equivalent strain(2nd pass)

3.2.2 第二道次速度場

第二道次成形過程中鍛件金屬流動(dòng)速度分布如圖10所示。壓下量為50%時(shí)，如圖10a所示沖頭主要對鍛件進(jìn)行正擠，底端金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)速度較快，頂部金屬質(zhì)點(diǎn)速度較慢，金屬以正擠充填型腔三為主。

壓下量為100%時(shí)，如圖10b所示由于底端金屬充填滿型腔三，所以底部金屬質(zhì)點(diǎn)速度近乎為0，此階段變形主要集中在鍛件中部的成形，而上端金屬主要為剛性平移。

圖10 流動(dòng)速度分布(第二道次)Fig.10 Velocity profile(2nd pass)

3.2.3 第二道次成形載荷分析

第二道次成形載荷-行程曲線如圖11所示。曲線分為3個(gè)階段:AB段，金屬主要發(fā)生正擠壓充填型腔三過程，載荷平穩(wěn)，約為34 t。BC段，此階段隨著坯料和凹模的接觸點(diǎn)增加，為充填滿型腔三，載荷迅速上升，直至充填完畢。C點(diǎn)以后，鍛件變形主要集中在中間型腔的成形，上端已變形金屬僅發(fā)生剛性平移，載荷相對平穩(wěn)，最大載荷為56 t。

圖11 載荷-行程曲線(第二道次)Fig.11 Load-stroke curve(2nd pass)

4 結(jié)語

1)通過對空心階梯軸零件的分析，采用溫?cái)D壓成形工藝，避免了利用一般車削加工方法材料利用率低、成本高的缺陷。

2)考慮到空心階梯軸內(nèi)部窄而長的通孔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)兩道次成形工藝，既降低了成形載荷，又可以有效地保護(hù)沖頭，提高模具壽命，零件成形效果好。

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