含芯棒旋鍛錘頭形狀對毛坯變形的影響研究

李冠東，盧曦

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

隨著我國汽車產量的提高，我國儼然已經成為汽車第一生產大國，但其一些零部件的加工質量依然不盡人意。汽車輕量化是汽車生產發展的必然趨勢，對于汽車傳動軸來講，由于其主要承受扭矩，所以將傳動軸中間部分設計為空心軸，在輕量化的同時，也提高了其抗扭能力。而傳動軸中間部分是通過含芯棒加無芯棒旋鍛工藝的路線加工而成，同時，旋鍛工藝具有加工精度高、表面粗糙度低、力學性能好等優點[1-2]。采用含芯棒徑向鍛造空心軸時，產品公差尺寸可達±0.1 mm，冷鍛時外徑表面質量Ra 可達0.4 um[3]，但由于旋鍛工藝在我國起步較晚，研究相對較少，導致生產質量往往不達標，尤其旋鍛過程中容易產生褶皺和開裂等現象。查閱資料發現，針對毛坯鍛打時的變形情況，探究其不同模具形狀對其變形情況的影響的相關研究還較少，所以在此著重研究鍛打時毛坯的變形情況。含芯棒旋鍛的錘頭常見的有單圓弧狀錘頭、雙圓弧錘和平面錘頭3種[4]，我們對不同錘頭結構進行建模仿真，通過在給定的進給工藝參數和非進給工藝參數下利用DEFORM-3D 軟件中的點追蹤功能，來獲得每一次鍛打時毛坯外徑各點的坐標數據，再將所得數據通過Origin 處理，得到毛坯外徑的散點折線圖和極坐標圖，從而更直觀地觀察毛坯的變形情況。

1 材料與方法

傳動軸的材料為25CrMo4，其合金元素成分如表1 所示。

表1 25CrMo4 的化學成分Tab.1 Chemical composition of material 25CrMo4

本文所討論的旋鍛軸用作某轎車等速萬向傳動軸中間軸部分，如圖1 所示。其分為3 個部分，軸段Ⅰ和軸段Ⅲ為變截面變壁厚的部分，采用無芯棒旋鍛；軸段 II 部分為含芯棒旋鍛工藝，我們研究軸段II 部分，其外徑D0為32 mm，內徑d0為26 mm，壁厚t0為3 mm；在此選擇毛坯的外徑D 為37 mm，內徑d 為27 mm，壁厚t 為5 mm。

圖1 傳動軸的尺寸圖Fig.1 Dimensions of drive shaft

含芯棒徑向鍛造空心軸過程原理如圖2 所示。4 個錘頭模具均布在坯料周圍，通過短行程高頻徑向鍛打坯料。含芯棒旋鍛坯料內壁有芯棒支撐，內外受壓成形質量較好，一端通過夾頭夾持住芯棒，在模具2 次鍛打的間隔中，由夾頭帶動芯棒作周向進給和軸向進給，芯棒和坯料一起運動，模具與毛坯接觸過程中，夾頭停止旋轉和軸向進給[5]。

鍛機根據模具的數量分為兩模機、三模機、四模機。在此選用四模機，即四錘頭旋鍛，為了保證模具在任何位置都不發生相互碰撞，4 個模具的楔角θ=90°。所有的旋鍛模具都要求有模具間隙，它可以起一定的緩沖保險作用；有利于金屬的流動。如果沒有這個間隙，金屬流動會受到限制，從而容易導致工件與模具的粘結[6-7]。模具閉合間隙如圖3 所示。必須保證在模具進到最小位置時，相鄰模具側面的間隙為1～2 mm，在此取2 mm。

圖3 模具閉合間隙示意圖Fig.3 Closed gap diagram of mold

常見的3 種旋鍛錘頭結構如圖4 所示。對于單圓弧錘頭，其圓弧半徑R1等于毛坯半徑；對于雙圓弧工作表面的錘頭,由于精整段的橫截面是凹圓弧狀,該處圓弧應等于或稍大于所鍛毛坯的半徑。若太小，錘頭會造成兩側易啃料，在鍛打時造成折疊；若太大，鍛件易出現多邊形。因此,錘頭整形段圓弧半徑等于或大于鍛毛坯半徑1～2 mm，在此選擇R1=19.5 mm，R2=21.5 mm[8]，又因為含芯棒鍛毛坯內部有芯棒支撐，所以其變形較小，成形質量好，在此僅研究毛坯外徑在鍛打過程中的變形情況。

圖4 不同形狀錘頭示意圖Fig.4 Schematic diagram of hammer heads with different shapes

研究方法與步驟：

（1）利用DEFORM-3D 軟件分別對3 種錘頭進行建模，在給定進給工藝參數和非進給工藝參數下進行仿真；

（2）對毛坯外徑取點進行點追蹤，得到鍛打時外徑的坐標數據，通過Origin 進行處理繪制；

（3）查看鍛打過程中不同模具所對應的毛坯變形情況,探究不同錘頭結構對毛坯變形的影響。

2 旋鍛仿真

2.1 旋鍛前處理

將在CATIA 軟件里繪制完成的坯料與模具圖形保存為stl 格式導入到DEFOEM-3D 軟件中，并對坯料進行網格劃分。首先進行整體劃分。根據產品尺寸結構特點，預劃分時采用了100 000個網格，為了保證仿真的準確度，以及后期要其表面取點觀察其變形，所以對其內外表面進行細化分。DEFORM-3D 的網格細化是采用Mesh 中的窗口來實現的，在Mesh 選擇絕對毛坯表面細劃分，細分比例為0.1。網格細化后效果見圖5。網格總量122 096，最小網格邊界為0.5 mm。

將25CrMo4 材料的拉伸試驗中所得的應力應變數據導入到材料的定義中，得到真實的材料數據模型，以最大程度上接近實際情況。如圖5所示。

圖5 毛坯網格劃分與材料定義Fig.5 Rough meshing and material definition

對于摩擦系數的選擇，旋鍛軸旋鍛工藝設計時應該盡量改善坯料與模具，坯料與芯棒間的潤滑環境，降低能耗，在此選擇摩擦系數為0.12。建立好的含芯棒旋鍛模型如圖6 所示。

圖6 旋鍛模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of rotary forging model

2.2 進給工藝參數的確定

其下壓量為其徑向進給坯料徑向下壓量，如式（1）所示[9]：

式中：δ——錘頭徑向下壓量，mm；D——毛坯外徑尺寸，mm；D0——產品外徑尺寸，mm。

進給速度含芯棒旋鍛模具運動與機械壓力機的運動特性一致，運動過程為正弦函數。在坯料四周對稱分布4 個模具，在模具鍛打之后是模具回升和坯料的周向進給。圖7 為錘頭模具運動特性圖。

圖7 模具運動特性Fig.7 Mold motion characteristics

含芯棒旋鍛機鍛打頻率為1 200 次/min，求出錘頭每一行程時間T=1/20 s=0.05 s。對應正弦函數中角速度w=2π/T=125.6 rad/s，模具運動方程如式（2）所示：

式中：δ——徑向進給量，mm；v——速度，mm/s；t——時間，s。各模具運動軌跡相同，均朝坯料中心運動。

周向進給取為16.8°/stroke，軸向進給取為2 mm/stroke，將其分別輸入到deform 的模具運動方程中。

3 結果分析

分別在坯料距離模具入口端10 mm 截面處在的外徑表面上每隔5°取點，共計72 個點，再利用點跟蹤法來獲得各點在鍛造完成后的坐標，將所得坐標數據導入到Origin 中繪制出其外徑的散點圖與極坐標圖。單圓弧錘頭對應的毛坯外徑尺寸散點圖和毛坯外徑變形放大圖分別如圖8、圖9 所示。

圖8 單圓弧錘頭鍛打下毛坯外徑變形散點圖Fig.8 Scatter diagram of outer diameter deformation of blank forged by single arc hammer

圖9 極坐標下單圓弧錘頭鍛打毛坯外徑變形放大圖Fig.9 Enlarged drawing of outer diameter deformation of forging blank with single arc hammer in polar coordinates

由圖8 和圖9 可以看出，第1 次鍛打，毛坯呈四邊形，每邊呈圓弧狀；從第1 次鍛打到2 次鍛打，毛坯轉過了一定角度，從不圓到了相對較圓，且毛坯的最大外徑尺寸也相對減小；鍛打完成后，毛坯相對第1 次和第2 次鍛打，變得更圓，而且尺寸達到產品尺寸16 mm。

雙圓弧錘頭對應的毛坯外徑尺寸散點圖和毛坯外徑變形放大圖分別如圖10、圖11 所示。

圖10 雙圓弧錘頭鍛打下毛坯外徑變形散點圖Fig.10 Scatter diagram of outer diameter deformation of blank forged by double arc hammer

圖11 極坐標下雙圓弧錘頭鍛打毛坯外徑變形放大圖Fig.11 Enlarged drawing of outer diameter deformation of forging blank with double arc hammer in polar coordinates

由圖10 和圖11 可以看出，第1 次鍛打，毛坯呈四邊形，每邊大體呈中間高兩邊低的雙圓弧狀；從第1 次鍛打到2 次鍛打，毛坯轉過了一定角度，從相對不圓到了相對較圓，且毛坯的最大外徑尺寸也相對減小；鍛打完成后，毛坯相對第1 次和第2 次鍛打，變得更圓，而且尺寸達到了產品尺寸16 mm。

平面錘頭對應的毛坯外徑尺寸散點圖和毛坯外徑變形放大圖分別如圖12、圖13 所示。

圖12 平錘頭鍛打下毛坯外徑變形散點圖Fig.12 Scatter diagram of outer diameter deformation of blank forged by flat hammer head

由圖12 和圖13 可以看出，毛坯在第1 次鍛打，呈中間凸、兩邊凹形狀；從第1 次鍛打到2次鍛打，毛坯轉過了一定角度，毛坯每邊從凹凸狀到平面狀，且毛坯的最大外徑尺寸也相對減小；鍛打完成后，毛坯變得更圓，而且尺寸達到產品尺寸16 mm。其第1 次鍛打毛坯形狀與錘頭形狀有差異可能是因為鍛打過程中材料的流動有關。

圖13 極坐標下平錘頭鍛打毛坯外徑變形放大圖Fig.13 Enlarged drawing of outer diameter deformation of forging blank with flat hammer head in polar coordinates

4 結論

（1）利用DEFORM-3D 軟件并在給定的工藝參數下分別對3 種不同錘頭進行了仿真，得到了毛坯鍛打時的外徑的坐標數據。

（2）得到3 種不同模具所對應的毛坯變形情況，證明了毛坯在鍛打過程中的變形與錘頭的形狀有關；且隨著鍛打次數的增多，毛坯從不圓到較圓，到鍛打完成后，毛坯都變為最圓的狀態，并達到產品尺寸。