基于數值模擬的動力輸出軸鍛件坯料優化

徐 輝，徐學春

(上海交通大學模具CAD國家工程研究中心，上海模具技術研究所有限公司，上海 200135)

0 引言

動力輸出軸是動力機械裝置傳遞扭矩輸出動力的關鍵部件之一，在機械設備工作中承受著復雜的交變扭矩和彎曲應力，因此常常出現疲勞裂紋和斷裂現象，進而導致設備故障和零件失效[1]。因此，動力輸出軸需要更高的力學強度和機械性能。

有限元模擬(FEA)塑性成型的原理是利用某種類型的單元將連續的變形體進行離散，同時將整個變形過程分為若干時間加載步長。通過計算每一加載步上各節點和單元的物理場，來分析變形體在模具型腔內的流動行為及各種熱學、力學場量的變化規律，為模具設計和實際加工提供依據[2]。隨著有限元理論的不斷完善和數值仿真技術的日趨成熟，使得數值模擬技術在鍛造成型工藝及模具設計領域得到了廣泛應用，并已經成為評判工藝成型性的重要手段[3]。采用FEA不僅可以很好地描述金屬在成型過程中的流動情況、鍛件內各質點的流動規律，還能定量計算出金屬變形區的應力、應變和溫度分布狀態，預測成型缺陷的產生，進而可以對整體鍛造工藝進行仿真和優化，改進模具結構和相應工藝參數，從而有效地提高產品質量，降低生產成本[4-5]。

1 實驗材料與方案

某汽車零部件生產廠商為某型號重卡生產的動力輸出軸零件如圖1所示，材質為40CrMoV5，化學成分詳見表1。產品圖樣要求： 鍛件表面無氧化皮存在，不允許有夾層、折疊、裂紋、過燒、過熱等缺陷；鍛件金屬纖維流線應沿軸向分布；鍛件等溫正火硬度179～219(同件不同部位硬度≤5 HB；同一批不同實件硬度≤15 HB)。該構件為動力輸出的關鍵零部件，在車輛運行過程中傳遞較大的交變扭矩，特別是傳遞扭矩的零件頂端的端齒，其剛度、強度和疲勞壽命等機械性能的可靠性尤為重要。為保證零件的機械性能可靠性，采用鍛造工藝對坯料進行成型加工，并在終鍛工藝完成后，按圖1(a)的方式對零件表面進行切削，同時檢查零件是否存在夾層、裂紋和折疊等缺陷。產品成型工藝路線具體為： 下料→預制坯→終鍛成型→熱處理(正火)→機加工，而本文主要針對預制的終鍛成型工藝進行研究。研究采用FORGE NXT鍛壓成型數值模擬軟件對輸出軸成型工藝進行仿真分析，獲取其金屬流動規律、應力應變關系，然后確定影響成型工藝參數，優化坯料的結構模形，最終提高產品良品率。

(a) 零件機加工輪廓

(b) 零件3維結構圖1 輸出軸結構(單位： mm)

表1 輸出軸的化學成分(質量分數)

2 數值模擬

根據終鍛產品的零件結構，預估型腔內金屬流動趨勢，本文設計了甲、乙兩種結構的預鍛坯料，在階梯處加大倒角設計，利于成型過程中金屬流動，減小殘余應力。坯料乙比坯料甲在預制結構上更接近終鍛產品。將兩者的3D模型導入FORGE軟件中，并按照相同規格對兩種預制坯料進行網格劃分，網格劃分后的模型如圖2所示。網格劃分采用FORGE軟件自帶的3A網格劃分技術，即自動劃分、自動加密、自適應網格。網格單元為四面體，網格尺寸為1.5 mm。坯料甲共劃分35 565個節點，197 118個單元；坯料乙共劃分36 405個節點，202 064個單元。然后按照表2的參數定義邊界條件，坯料溫度為1 100℃，模具材質為模具鋼，預熱溫度為250℃。

(a) 預制坯料甲

(b) 預制坯料乙圖2 預制坯料

表2 邊界條件參數

3 模擬結果與分析

圖3是兩種坯料形式終鍛過程中的金屬填充仿真效果，坯料甲的填充演化如圖3(a)所示，坯料甲在0.52 s時開始對端齒進行填充，填充過程中在端齒兩側區域出現明顯的熱開裂缺陷(圖中已標識)，但隨著填充持續，端齒兩側的裂縫逐漸閉合。坯料乙的填充演化如圖3(b)所示，由于坯料乙結構設計更接近終鍛零件結構，成型速度更快，端齒兩側在成型過程中沒有出現坯料甲中出現的開裂缺陷。因此，乙方案的鍛造填充性能更為優異。

(a) 坯料甲填充演變

(b) 坯料乙填充演變圖3 鍛件填充演變

圖4和圖5分別為零件終鍛后的溫度分布和應變分布。由圖4和圖5可知： 零件在鍛造過程中，端齒和飛邊區域會發生較為顯著的變形不均，并產生更大的等效應變，而與之相伴的塑性功轉化為熱量。有研究表明： 塑性應變越大，通過導熱、對流等熱傳遞方式散失的熱量越少。兩因素疊加導致該區域溫度升高，產生熱塑性效應[6-8]。由于更高的溫度和更大的塑性應變會誘導更為顯著的組織演化，可預見端齒和飛邊區域的溫度場和應變場的極度不均勻性將導致更為顯著的組織不均勻，進而影響零件整體的力學性能。

(a) 坯料甲溫度場

(b) 坯料乙溫度場圖4 溫度場

(a) 坯料甲等效應變

(b) 坯料乙等效應變圖5 等效應變

對比甲、乙兩種方案，可發現甲方案會導致更高的鍛造溫度和更大的塑性應變，即其溫度場和應變場存在更為顯著的不均勻性，將弱化零件的組織均勻性。因此，從零件性能均勻性角度出發，乙方案更優。

動力輸出軸屬于傳動軸，其主要功能是傳遞扭矩，輸出動力，工況惡劣。傳動軸主要失效形式為疲勞斷裂，因此對產品質量要求非常嚴格，特別是開裂、折疊、填充不足等缺陷需重點關注[5]。圖6為甲、乙兩種預制坯料的折疊缺陷預測圖。圖中采用紅色表示折疊缺陷。對比圖6(a)， 6(b)，可觀察到兩者折疊分布區域類似，主要分布在大變形區域，如端齒表面和兩側，飛邊，內凹槽底部，軸下端階梯處，特別是在飛邊處和端齒表面大量集中，基本和圖5中的等效應變分布區域相同。但由于圖6所示的折疊缺陷主要集中在零件表面，后續機加切削可將大部分折疊缺陷切除。

(a) 坯料甲折疊缺陷

(b) 坯料乙折疊缺陷圖6 折疊缺陷

產品模鍛時，應力求使金屬按照同一方向沿模鍛件外形流動，避免金屬的流向交叉、對流、急劇彎折和形成漩渦。必須使模鍛件的纖維組織分布合理，使鍛件工作時所受壓力與纖維組織方向垂直，拉力順著纖維組織方向[9-10]。這樣才能保證其組織均勻和力學性能好。圖7(a)和7(b)分別為甲、乙兩種坯料各自終鍛后的金屬流線圖，兩者流線分布大致相同，特別是端齒處流線密集，分布均勻且合理，且與所使用載荷力方向垂直，具有較好的力學性能。然而，甲方案[圖7(a)]出現了一些流線折彎和分布不合理現象。而乙方案[圖7(b)]卻顯示出更為合理的流線分布，因此從流線的角度，乙方案更優。

(a) 預制坯料甲金屬流線圖

(b) 預制坯料乙金屬流線圖圖7 金屬流線

4 實驗驗證

根據甲、乙兩種預制坯料的數值模擬結果，選擇較優的預制坯料乙作為實驗方案，按照數值模擬的邊界條件設計產品終鍛工藝參數，車間試模生產預制坯料乙，然后進行終鍛實驗。成功得到了如圖8所示的熱鍛件。從鍛件的幾何形狀來看，工藝實驗所得鍛件與熱鍛模擬結果兩者一致。根據預制坯料乙的數值模擬分析，折疊、開裂等缺陷主要集中在端齒兩側、端面和環側面。對這些區域進行機加工切削檢測，未發現存在相關缺陷，產品符合質量要求，印證了數值模擬的準確性，避免了產品缺陷。

(a) 環側面機加工切削檢測樣品

(b) 端面機加切削檢測樣品圖8 實驗生產零件

5 結論

(1) 設計了兩種預制坯料結構，并利用FORGE軟件建立了有限元模型，模擬了動力輸出軸的終鍛成型過程，分析了成型過程中的溫度場、等效應變場、材料流動情況等變化規律。

(2) 通過對比分析兩種模擬結果，選擇預制坯料乙作為實際生產的工藝方案。成功試制出輸出軸鍛件，鍛件形狀滿足設計要求，無折疊、填充不足等缺陷，證明了預鍛方案乙的可行性。