內花鍵軸熱擠壓成形的數值模擬分析

郭肖肖，付建華，劉志奇，時曉向

（太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

內花鍵軸熱擠壓成形的數值模擬分析

郭肖肖，付建華，劉志奇，時曉向

（太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

根據內花鍵軸零件的形狀尺寸特點，分析內花鍵軸成形的工藝方式，運用有限元軟件DEFORM－3D對內花鍵軸熱擠壓成形過程進行數值模擬，對成形過程中凸模的載荷－行程曲線和擠壓件溫度場進行分析，并研究坯料加預熱溫度和擠壓速度對擠壓力的影響，分析得到坯料的最佳加熱溫度范圍為1100℃～1200℃，最合理的擠壓速度為10mm/s左右，為同類零件的加工及生產提供理論依據。

熱擠壓；數值模擬；DEFORM－3D；內花鍵軸

內花鍵軸作為傳動零件，其承載能力強、導向性好、對中性好[1]，是汽車傳動的重要組成部件。近年來，隨著汽車、輪船、航天等領域制造業的快速發展，對內花鍵軸的需求及使用要求不斷提高[2][3]。傳統的成形內花鍵的方法—插齒、拉齒，在加工高強度、高精度大模數內花鍵時費時費力，零件強度低，機械性能差，生產效率和材料利用率低，不能滿足大批量生產的要求[4]。熱擠壓是一種高效、低耗的金屬塑性成形工藝，機械加工余量小，成形件的結構和機械性能遠遠高于機加工件。由于高溫下材料的塑性提高，變形抗力降低，所以熱擠壓工藝可以成形硬度、強度較高的材料以及斷面形狀比較復雜，尺寸比較大的零件[5]。

1 內花鍵軸成形工藝流程的制定

如圖1所示為內花鍵軸零件圖，其中包括外軸的不連續且梯度較小的臺階和大模數內花鍵兩部分，屬于斷面比較復雜的對稱零件。采用的40Cr材料在室溫下強度、硬度都較高，塑性較低，不易發生塑性變形。此內花鍵軸成形的傳統工藝為：下料（圓棒）－中頻爐加溫－鐓粗－擠壓毛坯－沖孔－車外圓－拉內齒。該工藝生產周期長，生產效率和材料利用率都比較低，不能滿足大批量生產的要求。由于該零件在工作時受力情況比較復雜，需要較高的力學性能，所以本文提出成形內花鍵軸的新工藝流程：下料（空心坯料）－中頻爐加溫－擠壓－熱處理－機加工。與傳統工藝相比，精簡了工序，減少了設備投入，提高了生產效率和材料利用率，且降低了沖孔對材料的浪費，是一種節材、高效的生產工藝。

圖1 內花鍵軸零件圖

2 熱擠壓工藝分析

2.1 熱擠壓件圖

根據零件形狀及對熱擠壓工藝的分析，外軸的不連續臺階梯度較小且高度很小，不易成形，選擇直接擠出臺階的最大徑。同時根據零件的尺寸精度、形位公差以及使用要求[6]，兩端面和外軸都要留有一定的機加工余量，內花鍵要與軸類件相配合，精度要求較高，也需留加工余量。設計出的熱擠壓件圖如圖2所示。

圖2 熱擠壓件圖

2.2 熱擠壓工藝方案

根據擠壓前、后體積不變原則，采用逆向法計算得到坯料的體積[7]，由此根據擠壓件產品圖可確定成形內花鍵軸的坯料體積。根據熱擠壓件的結構特點，同時考慮充型時金屬的流動性，選取如圖3空心坯料?82×?34×40mm進行擠壓，一次成形內花鍵和外軸臺階，只是隨著上模的下移，內花鍵和外軸臺階兩部分先后完成。

圖3 坯料示意圖

3 內花鍵軸熱擠壓工藝數值模擬

3.1 有限元模型的建立

內花鍵軸選用的材料為40Cr，對應DEFORM－3D中的美國編號AISI－5140[1450－2200F（800－1200℃）]。采用空心坯料，閉式模腔，在模具的間隙處會出現微量飛邊，不影響擠壓件的表面質量，而且這些飛邊在機加工后會被去[8]。模具選用4Cr5MoSiAl，對應DEFORM－3D中的A－H－13，假定為剛性體，分別預熱到300℃，熱傳導系數取11W/（m2·K），選擇塑性剪切摩擦模型[9]。

由于熱擠壓件為對稱體，為了節省模擬時間和存儲空間，取其1/4進行數值模擬計算，設定網格數為4萬個，且進行局部細劃分，當網格出現畸變較大時系統會自動重劃分網格。增步量為每步0.22mm，采用剛塑性材料本構關系，建立成形內花鍵軸的有限元模型[10]，設置不同的參數進行數值模擬。圖4為內花鍵軸熱擠壓成形過程圖。

圖4 內花鍵軸熱擠壓成形過程圖

3.2 數值模擬結果分析

3.2.1 對變形過程中擠壓力的分析

模擬參數按表1所示設定。整個擠壓過程凸模的載荷－行程曲線見圖5，大致可以分為三個階段。第一個階段為初始擠壓花鍵階段，從曲線的趨勢來看擠壓力是先增大后減小的。這是因為隨著凸模的下移，變形區逐漸增大，坯料與模具的接觸面積變大，致使變形力和摩擦力都會增大，凸模繼續下移，坯料逐漸與模具變形部位脫離，變形區變小，變形力變小；第二個階段為第一個臺階成形階段，大體趨勢是先陡升后趨于平穩。該階段凸模擠壓坯料下移，迫使部分坯料從凹模錐形孔中擠出，變形后的金屬順著凹模孔流出，此過程變形程度較大，所以需要的擠壓力也會很大。第三個階段為第二個臺階成形階段，該階段凸模繼續向下運動，沒有進入模孔的金屬能夠平穩地向下移動直到流入凹模型腔的第二個錐形區域，該擠壓過程中擠壓力的變化與第一個臺階成形時的擠壓力變化相似，都使得凸模的受力急劇上升，隨后金屬從第二個模口中擠出后，擠壓力在最大值附近波動，且波動稍大，最大值達到398kN。

表1 模擬參數的設定

圖5 凸模的載荷－行程圖

3.2.2 對變形過程中溫度場的分析

在開始擠壓前，坯料與環境及凹模有短時間接觸，表面有少許溫降。隨著凸模下移，花鍵部位成形初期，金屬有向外徑擴張的趨勢，最終與型腔接觸，此部分金屬溫度下降較快，隨后金屬帶流入凹模孔內，變形程度增大，變形后的金屬溫度稍有升高，這是由于摩擦力做功產生熱量。如圖6所示為坯料擠壓終了時溫度分布圖，由圖可看出擠壓件的溫度分布是呈階梯狀的，由里向外逐漸減小。由于坯料下端面金屬只與環境發生熱交換，所以該部位溫度較高。擠壓終了時熱擠壓件的最高溫度為995℃，位于熱擠壓件的中心部位，這是由于在擠壓過程中坯料在擠壓力的作用下發生塑性變形，塑性變形產生塑性功，大部分的能量轉化為熱能，而摩擦力做功也會產生熱能，這些熱能在坯料內部釋放不出去，最終被坯料本身吸收，從而使得該部位溫度較高。擠壓終了時最低溫度在第二個臺階拐角處，與模具長時間接觸，熱量損失較多，溫度下降較快，降至561℃。

圖6 擠壓結束時的溫度分布圖

3.3 坯料加熱溫度對變形力的影響

固定表2中各參數，數值模擬坯料在不同加熱溫度下的內花鍵軸熱擠壓成形過程，得到不同加熱溫度下凸模的載荷－行程曲線如圖7所示。

表2 模擬參數的設定

圖7 不同加熱溫度下凸模的載荷－行程圖

由圖7可看出，各溫度下曲線的變化趨勢大致是相似的，但隨著溫度的升高，凸模所受載荷明顯降低，而且在金屬進入模孔成形臺階時，載荷上升的梯度有明顯降低的趨勢。這是由于坯料溫度升高，有利于坯料內部的金屬流動，在進行大塑性變形時，坯料內部金屬變形的劇烈程度減弱，從而使得變形抗力降低。根據該零件材料的流動應力應變曲線可知，隨著溫度的降低，流動應力是逐漸升高的，那么發生相同的塑性變形，變形抗力是逐漸增大的。由此可知，坯料在較低的溫度下，流動應力較高，在擠壓過程中需要較大的變形力才能成形內花鍵軸，此過程模具的破壞程度較大，而且噸位高的壓力機造價高，不經濟。由圖可看出加熱溫度為800℃時的擠壓力為1200℃時的兩倍還多，相差很大。但加熱溫度也不是越高越好，過高的擠壓溫度雖然能大大降低坯料的變形抗力，但也會加劇坯料表面的氧化程度，影響擠壓件的質量，同時對加熱設備的要求也會升高，容易氧化模具表面，使其壽命降低[5]。綜合以上分析，同時考慮實際生產條件，毛坯的加熱溫度最好選在1100℃～1200℃范圍內。

3.4 擠壓速度對擠壓力的影響

固定表3中各參數，數值模擬不同擠壓速度下的內花鍵軸成形過程，得到不同擠壓速度下凸模的載荷－行程曲線如圖8所示。從圖中六條曲線的變化趨勢可看出，在擠壓的初始階段，擠壓速度對擠壓力影響不大，在成形兩個臺階階段，擠壓力是隨著擠壓速度的增大先是降低之后趨于平穩。在較低的擠壓速度范圍（2mm/s～10mm/s）內，隨著工作速度的加快，坯料與模具的接觸時間變短，熱交換量變少，坯料溫度下降的較少，根據材料的流動應力曲線可以看出，流動應力較小，從而降低了金屬的變形抗力。在較高擠壓速度范圍內，溫差對擠壓力的影響較小可忽略不計，擠壓速度的增大會導致金屬變形的應變速率增大。根據材料的本構特性曲線可知，金屬的流動應力增大，導致變形抗力升高，從而使成形所需擠壓力變大，同時應變速率的增大會使變形過程中的溫度效應增大，致使坯料溫度升高；同時也可促進金屬的回復和再結晶，使金屬塑性提高[11]，從而降低了變形抗力。兩方面的作用導致變形抗力上升和降低的幅度相抵消，因而會出現在某個速度范圍內（10mm/s～80mm/s）擠壓力變化不大的結果。擠壓速度過小，影響生產效率，擠壓速度過大，會造成擠壓終了溫度升高，致使金屬晶粒粗大，所以選取合適的擠壓速度非常重要。

表3 模擬參數的設定

圖8 不同擠壓速度下凸模的載荷－行程圖

綜合以上擠壓速度對擠壓力的影響，同時考慮在實際生產中既要保證零件的生產效率和質量，又要最大限度地減小擠壓力，所以合理的擠壓速度應選擇在10mm/s左右。

4 結論

對內花鍵軸的熱擠壓成形過程進行工藝設計，運用DEFORM－3D對內花鍵軸的成形過程進行數值模擬，得到以下結論：

（1）通過對成形過程中的擠壓力及溫度場分析，驗證了采用熱擠壓工藝成形內花鍵軸的可行性。

（2）坯料加熱溫度對擠壓力的影響較大。隨著預熱溫度的升高，擠壓力是逐漸降低的。溫度過低，變形抗力急劇增大，所需的擠壓力非常大；溫度過高，浪費能源且易造成模具損壞。通過研究不同加熱溫度對成形力的影響，得到坯料加熱溫度的最佳選取范圍為1100℃～1200℃。

（3）擠壓速度在較低時對擠壓力影響較大，隨著擠壓速度的升高擠壓力逐漸減小；當擠壓速度增大到一定程度，擠壓力變化不大。通過研究不同擠壓速度對擠壓力的影響，得到合理的擠壓速度為10mm/s左右。

（4）與傳統的插齒、拉齒成形內花鍵相比，采用熱擠壓工藝，不僅可提高零件的機械性能和力學性能，也可大大提高零件生產效率。

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Numerical simulationanalysis of hot extrusion forming process for internal spline shaft

GUO Xiaoxiao,FU Jianhua,LIU Zhiqi,SHI Xiaoxiang
（School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024，Shanxi China）

According to the characteristics of shape and dimensions of internal spline shaft,the forming process of the internal spline shaft has been analyzed.The numerical simulation has been conducted to the hot extrusion forming process for internal spline shaft by use of finite element software DEFORM－3D.The loadstroke curve of convex die and the extrusion temperature field of forming process has been analyzed.The influence of heating temperature and extrusion speed of the billet to the extrusion force has been studied.It is obtained that the optimum heating temperature range of the billet is 1100℃～1200℃,and the most reasonable extrusion speed is about 10mm/s,which provides theoretical reference for the processing and production of same kinds of parts.

Internal spline shaft;Hot extrusion;Numerical simulation;DEFORM－3D

TG376.2

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.031

1672－0121（2016）04－0105－04

2016－03－10；

2016－05－16

郭肖肖（1989－），女，碩士在讀，主攻金屬塑性成形工藝及模擬研究。E－mail：315343825＠qq.com