基于數值模擬的變速箱軸套精鍛工藝評估及試驗研究

田亞丁，劉德波

基于數值模擬的變速箱軸套精鍛工藝評估及試驗研究

田亞丁1，劉德波2

（1.新鄉職業技術學院 智能制造學院，河南 新鄉 453006；2.黃河科技學院 工學部，鄭州 450006）

針對汽車變速箱軸套在精鍛工藝設計階段成形方案選擇多、成形結果不確定的現象，解決試驗成本高，開發周期長的問題。采用有限元模擬和工藝評價數學模型進行協同研究。首先，針對各工藝方案建立有限元分析模型，分別進行成形模擬，根據成形后零件的填充情況和截面流線狀況來評估工藝的合理性；其次，利用工藝評價數學模型將各方案模擬獲得的最大應力、最大應變、最大損傷值、最大載荷等重要參數進行整合，以零件質量和模具壽命作為綜合評估對象，根據評價值確定最優方案，同時對各方案下的載荷情況進行分析；最后，按照最優方案完成制模和試模生產。獲得的變速箱軸套成形飽滿，質量好，表面無明顯缺陷，與模擬結果一致，驗證了開發過程的準確性，且尺寸符合要求，內部探傷無裂紋。提出的開發工藝可靠，與切削工藝相比，生產效率大幅提升，同時材料利用率提高到92.7%。

變速箱軸套；精鍛工藝；有限元模擬；工藝評價數學模型；流線

隨著我國工業的發展，先進制造技術水平不斷提高，能夠生產的精鍛件越來越復雜，但同時又面臨新的問題，如鍛件結構越復雜，成形難度越大，需要的成形工序越多，在工藝設計階段，成形方案的選擇就越多[1-4]，并且各工序間也都存在較多的不確定因素，因此要選擇一條可行并且最優的工藝方案是非常困難的。而獲取最理想的成形工藝對鍛件的成形質量、模具的壽命、設備使用情況、生產效率等均具有積極影響[5-10]，研究意義重大。

如果采用傳統試模、修模的方式，一方面工序較多，計算量較大，容易出錯；另一方面，周期長，試驗成本高，并且工藝的好壞難以保證，而通過虛擬制造技術實現工藝的預測，對設計和生產有較好的引導作用。董奇等[11]利用有限元技術對比了齒圈座的2種熱鍛成形工藝，根據模擬結果確立了合適的預鍛件形狀，并通過正交試驗對工藝參數進行了優化，起到了較好的預測作用，獲得了符合質量要求的齒圈座。劉樂等[12]為解決GH4169高溫合金螺栓熱鐓時凹模開裂的問題，通過有限元分析預測了凹模的受力情況，并對組合模結構進行了改進和試驗驗證，最終解決了凹模開裂的問題，節省了大量時間和成本。張巍[13]針對某連接鍛件成形質量差的問題，對其模鍛工藝進行了改進，并通過Deform仿真進行了成形預測，發現了鍛不足缺陷，從而及時改進了飛邊槽結構，避免了試模損失。郭艷珺等[14]為解決某種叉件飛邊大、材料利用率低的問題，將水平分模鍛造改為立式鍛造，并結合有限元法進行了可行性分析，給實際生產制造提供了極大的參考價值。本文利用有限元技術并結合工藝評價數學模型，以結構比較復雜的汽車變速箱軸套為研究對象，采用“模擬預測、及時優化、試模驗證”的研究方式，對汽車變速箱軸套精鍛工藝進行了開發、評估及優化。

1 軸套精鍛工藝

變速箱軸套的零件圖如圖1所示。零件材料為35#鋼，進行切削加工生產時，需經過車外圓、銑六方、銑八方、鉆孔等多道工序，具有效率低、成形精度不穩定等問題，同時材料的有效利用率不到35%，因此，切削加工只適合在零件小批量生產時使用。在大批量生產時，更適合采用精鍛成形，該工藝可以利用擠壓時產生的冷作硬化作用提高軸套的力學性能[15]。雖然35#鋼為易變形材料，變形程度可達75%[16]，但軸套整體復雜，通過一次冷鍛成形，仍存在以下問題：對模具材料和模具結構要求極高，對模具壽命影響較大；金屬的變形過程不易控制，產生折疊缺陷的可能性極大；無法直接成形中間通孔，需配合車削加工。因此，通常采用多工位精鍛成形，利用鐓粗、減徑擠壓、反擠壓、沖孔等方式分階段成形各特征，最終基于等體積原則，設計了3套四工位成形方案，如圖2所示。各方案的中間工序差異較大，首先通過Deform-3D完成了3套方案成形過程的模擬分析，評估了工藝的可行性，其次利用工藝評價數學模型完成了工藝間的擇優。

圖1 軸套零件圖

圖2 軸套的多工位精鍛工藝方案

2 建模及工藝評估

2.1 有限元模型建立及條件設定

由圖2可知，3種方案的沖孔工位（工位4）一致，因此對前三工位進行分析比較。通過UG軟件建立各方案坯料及各道工序凸模、凹模、頂桿的三維模型，按彼此的位置關系完成裝配，取1/2模型作為分析對象以方便后續觀察成形中零件截面流線的變化情況，保存為stl文件格式，然后導入Deform-3D中開始有限元建模。保證各方案中模擬條件設定一致，在Deform-3D材料庫中新建35#鋼的材料模型，在常溫條件下，壓縮真應力-應變曲線可由冷壓縮試驗獲得[17]，具體如圖3所示。將產生變形的零件設置為塑性體，劃分60 000個四面體網格單元，最小尺寸為0.44 mm；將不產生變形的凸模、凹模、頂桿等設置為剛體，成形溫度為20 ℃。對坯料進行體積補償設置，可在有限元計算和網格畸變重劃分時維持坯料體積不變；對坯料及凸模等設置約束條件，添加各自的截面為對稱面。將動模速度設置為20 mm/s，擠壓時零件與模具發生了剪切摩擦，按常規潤滑條件設定摩擦因數為0.1[18]，接觸容差為0.025 1 mm。在模擬控制工具中，選擇步長控制法，設置最小步長為0.15 mm，停止條件為凸模運動結束。每種方案分3個階段成形，以方案3為例，模擬過程如圖4所示。模擬時采用Normalized Cockcroft & Latham損傷模型，損傷閾值可通過多次單向拉伸試驗測定[19-20]。

圖3 35#鋼的壓縮真應力-應變曲線

2.2 成形預測及工藝評估

工藝是否可行主要從2個方面進行評估：能否達到尺寸要求；能否避免折疊等成形缺陷。成形后零件的尺寸是由模腔決定的，在各模具制造精度滿足工藝要求的前提下，只要模腔充型飽滿，就表示獲得的零件尺寸滿足要求。3種方案各工序零件模擬后的填充情況如圖5所示，其中零件表面分布有不同顏色的節點，分別表示該部位與凸模、凹模或者頂桿接觸[21]，如果某處不存在節點，則表示該處與模具未發生接觸，零件表面存在凹坑、充不足等情況。從圖5可知，各零件表面被節點充分覆蓋，無缺失，說明在3種方案下最終軸套都能充填飽滿，達到要求精度，滿足尺寸要求。此外，各零件表面成形質量較好，無毛刺、刮花等問題。

圖4 方案3的模擬過程

可通過成形后零件的截面流線狀況來鑒定零件內部是否存在缺陷，在正常情況下，擠壓后零件的截面流線是沿著零件輪廓均勻有序且連續分布的，不會存在局部交叉或者斷裂等情況。若存在這些缺陷，則表示成形過程中金屬出現了不正常流動，如對流、回流等，零件內部容易產生折疊缺陷，在后續零件使用過程中容易產生應力集中，成為疲勞源，致使裂紋出現。通過Flow Net工具得到3種方案各工序零件的截面流線狀況如圖6所示，其中各零件流線分布井然有序，互不干涉，并且各線條連續無折斷，說明在3種方案的3個成形階段，金屬都能順利流動到各部位，完成填充，無折疊情況。由評估成形結果可知，3種精鍛工藝方案都是可行的。

圖5 不同方案各工序零件填充示意圖

圖6 不同方案各工序零件截面流線狀況

3 工藝優化與分析

3.1 工藝評價數學模型的建立

從模擬結果來看，3種方案都是可行的。由于通過試模生產試驗進行比較的周期長、成本浪費，有違降本的初衷，同時影響因素較多，需要綜合考慮制件的質量、模具成本、能源消耗等問題，因此，不易選出最佳方案。林新波等[22]提出了一種工藝評價數學模型，該模型能很好地處理該問題，他們通過生產實例進行了驗證[23]，可知該模型具有一定的可靠性。因此本文利用該模型，將成形后零件的質量和模具壽命作為進一步的評估對象，對3種工藝進行優選，工藝評價數學模型的數學表達式見式（1），其中數據仍然來源于數值模擬。在有限元模擬獲得的數據中，與零件質量相關的分析參數包括應力、應變、損傷值等，而模具壽命的長短受成形時載荷的影響較大，在同等條件下載荷越大，模具的磨損越嚴重，這會加快模具失效，因此最終選擇最大應力、最大應變、最大損傷值、最大載荷這4個參數作為分析對象。

式中：Y()為評估方案偏離最優值的程度，偏離程度越小，越接近最優解；為評估方案的序號；為評估方案的數量，本文為3種方案；為分析對象的序號，本文有應力、應變、損傷值、載荷4個分析對象；y,i()表示第個分析對象的不均勻程度，可通過式（2）計算獲得；為各方案的工序數量；λ為加權系數，λ=1/y,i()min。

3.2 數據處理及優化

通過有限元模擬獲得的3種方案各道工序的最大等效應力、最大等效應變、最大損傷值、最大載荷等數據如表1所示。利用工藝評價數學模型對表1數據進行處理，以獲得各方案偏離最優值的程度，處理結果如表2所示，其中1()=13.068 1，2()=9.257 9，3()=4.039 4。由于工藝評價模型要求偏離程度越小越好，因此方案3為優選結果，在該方案下，零件質量、模具壽命等各方面的綜合性能最好。

3.3 載荷

不同方案下各工位載荷的變化過程如圖7所示?？梢钥吹?，各方案的曲線變化規律完全一致，從零件成形開始到結束，載荷始終不斷增大并在最后達到最大值，這是因為隨著成形的進行，零件產生的變形量不斷增大，使材料自身的變形抗力增大，與此同時，零件與模具之間因接觸面積的增大而導致摩擦阻力越來越大，金屬流動難度加大。因此，為克服這些因素，載荷必然隨之增大，這與實際情況相符。另外，在接近成形結束時，模腔中的空間狹小，基本填充完全，金屬流動更為困難，使載荷迅速增大到頂點。由圖7可知，方案1中各工位的最大載荷分別為8.03×105、1.49×106、2.39×106N，方案2中各工位的最大載荷分別為8.37×105、1.61×106、1.98×106，方案3中各工位的最大載荷分別為1.05×106、1.53×106、1.74×106N。通過數據不難看出，方案1和方案2各工位間的最大載荷差別較大，各工位間的不均勻性較大，說明各工位間零件變形量分配不合理，從而影響了各工位模具的受力情況，造成各工位模具壽命差距較大，不利于統一換模，換模頻次高，不利于生產，而方案3各工位間的最大載荷差距得到明顯改善，各工位模具受力相對均勻，壽命長短差距更小，當某工位產品出現超差情況時，可停機進行統一換模，因此方案3更適用于實際生產。

表1 有限元模擬結果統計

Tab.1 Statistics of finite element simulation results

表2 工藝評價模型處理結果

Tab.2 Processing results of process evaluation model

圖7 不同方案下各工位載荷變化曲線

4 工藝試驗結果

根據工藝評價數學模型的優化結果及載荷分析結果可知，方案3為最優方案，因此對方案3進行工藝試驗。按照方案3進行制模，因為較多零件型腔相交過渡面都是六角形的，過渡半徑很小，應力集中嚴重，所以模具宜采用預應力套，模具材料宜采用硬質合金。保證模腔體積與坯料體積相同，為確保鍛件尺寸精度，需要保證模具的加工制造精度，相關模具實物如圖8所示。完成安裝后通過自動冷鍛機對變速箱軸套進行試模試驗，現場試驗設備如圖9所示。坯料材料為35#鋼，通過球化退火降低硬度至78HRB，減小鐓鍛時的變形抗力，并通過磷化-皂化降低表面摩擦因數[24-25]，坯料幾何尺寸為27 mm×26.5 mm，在鐓制過程中通過MoS2潤滑。由試驗獲得的變速箱軸套各工位制件表面和中間截面的成形情況如圖10所示。從圖10a可以看出，各制件表面平整，充填飽滿，無裂紋、麻點、刮痕等缺陷；從圖10b可以看出，制件截面質量較好，流線完整，未見空穴、折疊等明顯缺陷，現場試驗結論與模擬預測結果完全一致，充分說明了開發過程的準確性。經現場檢驗可知，軸套尺寸完全符合要求，主要尺寸如表3所示，內部探傷無裂紋，軸套的強度、硬度均能達到技術指標。同時，在試生產階段，抽檢的軸套質量穩定，均滿足要求，表明開發的精鍛工藝比較穩定，完全能投入生產。該工藝與切削生產工藝相比，生產效率大幅提升，材料利用率提高到92.7%。該研究對各類零件鍛造工藝的選擇與開發都有極高的參考價值。

圖8 相關模具實物

圖9 現場試驗設備

圖10 變速箱軸套各工位制件實物圖

表3 軸套尺寸要求及實測結果

Tab.3 Dimension requirements and measured results of shaft sleeve mm

5 結論

1）提出了3種適用于變速箱軸套批量化生產的精鍛工藝，并利用虛擬成形技術對工藝結果進行了預測，通過分析成形后零件的填充情況和截面流線狀況評估了3種工藝的可行性，結果顯示，3種方案均能獲得預期的軸套，并且零件表面和內部均不存在缺陷。

2）利用工藝評價數學模型，以軸套質量和模具壽命為評估對象，完成了工藝間的優選。

3）基于優化結果完成了變速箱軸套的試模生產，最終獲得的變速箱軸套質量較好，無缺陷，尺寸達標，并且工藝穩定可靠，產品合格率高，驗證了開發方案的可靠性。

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Evaluation and Experimental Research on Precision Forging Process of Gearbox Shaft Sleeve Based on Numerical Simulation

TIAN Yading1, LIU Debo2

(1. School of Intelligent Manufacturing, Xinxiang Vocational and Technical College, Henan Xinxiang 453006, China; 2. Engineering Department, Huanghe S & T University, Zhengzhou 450006, China)

The work aims to solve the problems of high experimental cost and long development cycle caused by multiple selection of forming schemes and uncertain forming results in the precision forging process design stage of automotive gearbox shaft sleeve. The finite element simulation technology and the mathematical model of process evaluation were used for collaborative research. Firstly, the finite element analysis model was established for each process scheme, and the forming simulation was carried out respectively. Then, the rationality of the process was evaluated according to the filling condition and cross-section streamline condition of the formed parts. Next, the process evaluation mathematical model was used to integrate the most important parameters such as maximum stress, maximum strain, maximum damage value and maximum load obtained through simulation of each scheme. The quality of parts and die life were taken as the comprehensive evaluation object, and the optimal scheme was determined according to the evaluation value, and the load situation under each scheme was analyzed. Finally, according to the optimal scheme, die making and trial production were completed. The obtained gearbox shaft sleeve had a full and high-quality shape, with no obvious defects on the surface, which was consistent with the simulation results and verified the accuracy of the development process. The dimension met the requirements and no cracks were found in internal inspection. The proposed development process is reliable, and compared with the cutting process, it significantly improves the production efficiency, while increasing the material utilization rate to 92.7%.KEY WORDS: gearbox shaft sleeve; precision forging process; finite element simulation; mathematical model of process evaluation; streamline

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.022

TG386.3

A

1674-6457(2024)01-0192-09

2023-06-16

2023-06-16

2021年度河南省科技廳科技攻關項目（212102210249）

2021 Henan Provincial Department of Science and Technology Science and Technology Research Project (212102210249)

田亞丁, 劉德波. 基于數值模擬的變速箱軸套精鍛工藝評估及試驗研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 192-200.

TIAN Yading, LIU Debo. Evaluation and Experimental Research on Precision Forging Process of Gearbox Shaft Sleeve Based on Numerical Simulation[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 192-200.