汽車矩形花鍵閉式鍛造成形數值模擬研究

中圖分類號：U463.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0148-03

【Abstract】This paper conducts a numerical simulation study on the hot extrusion pre-forging forming process of automotive rectangular splines withthe aidof DEFORM-3D software，with a focus onanalyzing the distribution laws of the stress field，strain field and temperature field.By optimizing the process parameters （temperature 1200% ，downward pressure speed 5mm/s，friction coefficient O.3），the simulation results show that the peak stressconcentration in the predicted tooh root/tooth toparea has decreased from 335MPa before optimization to 298MPa.The peak high strain in the transition zone reached 3.41mm/mm .Although no crack initiationphenomenon was observed during the simulation proces，the potential cracking risk was judged through theanalysis ofstress-straindistribution.Compared withbefore optimization， the overall forming quality of splines has been significantly improved.

【Key Words】 DEFORM-3D;rectangular spline;extrusion pre-forging; equivalent stress;equivalent strain

1 DEFORM-3D軟件介紹

DEFORM-3D軟件是一款可對金屬成形過程中復雜幾何形狀與材料流動過程進行有效模擬的專業軟件。在汽車矩形花鍵熱擠壓預鍛工藝分析中，該軟件可對溫度、速度、壓力等關鍵工藝參數進行優化，從而實現高效率成形與穩定成形品質。

在矩形花鍵熱擠壓預鍛過程的模擬計算中，DEFORM-3D軟件能對有限元模型進行有效成形模擬，進而預測金屬成形過程中的材料流動變形特點，為金屬材料流動規律調整與工藝過程優化提供依據，最終實現金屬成形浪費最小化、生產時間最短化與材料利用率最大化。目前，DEFORM-3D軟件已成為金屬成形設計中的關鍵工具，在工業設計與制造領域具備強大實用性。

2汽車矩形花鍵熱擠壓預鍛工藝概述

2.1矩形花鍵的結構特點與應用

汽車矩形花鍵是傳動系統的核心零部件，屬于帶有若干平行鍵齒結構的傳動元件，需與齒輪、離合器等部件協同工作，實現扭矩傳遞并承受軸向載荷。該部件廣泛應用于汽車行業，尤其在重型汽車與高性能汽車中，其可靠度直接決定汽車整體性能與行駛安全。

以重載汽車傳動軸為例，矩形花鍵需承受數百乃至上千牛·米的扭矩，同時需保證長期使用可靠性。通過DEFORM-3D軟件分析熱擠壓預鍛過程，可深化對矩形花鍵成形過程中應力應變與溫度分布的認知，為產品設計提供指導，進而提升產品品質與使用壽命。

2.2 熱擠壓預鍛工藝原理

熱擠壓預鍛是一種先進的塑性加工方法：利用高溫狀態下的金屬材料，在模腔內通過壓力作用促使金屬流動并充實型腔，最終獲得符合形狀與尺寸要求的工件。在汽車矩形花鍵生產加工中，該方法優勢顯著：既能有效提高材料利用率，又能減少后續機加工量，同時改善工件的力學性能。

2.3擠壓成形工藝步驟和參數控制

擠壓溫度通常需控制在材料再結晶溫度以上，目的是降低材料流動應力、提高成形效率。在實際生產中，擠壓速度、模具溫度、潤滑條件等關鍵參數的優化至關重要，直接關系到材料缺陷減少、生產效率提升與成本降低。

3 DEFORM-3D模擬設置

3.1擠壓成形過程中的關鍵參數

在汽車矩形花鍵擠壓成形中，關鍵參數的精準控制對成形件品質保證與生產效率提升具有重要意義，其中擠壓速度、擠壓溫度、摩擦因數是影響擠壓成形效果的核心參數。

1）擠壓速度：主要影響材料流動狀態與成形件內部應力分布。若速度過快，易導致材料內部產生較大剪切應力，進而引發裂紋缺陷；若速度過慢，則會降低生產效率。因此，合理選擇擠壓速度參數是工藝設計的關鍵環節。

2）擠壓溫度：是擠壓成形的核心參數之一。溫度過高（ gt;1250^°C ）會導致材料晶粒尺寸粗大（ gt;20μm ），造成成形件機械性能下降（強度降低 15% ）；溫度過低（ lt;1100^°C ）則會使材料流動性變差（流動應力增大 20% ），增加成形難度。在實際生產中，通過數值模擬可預測不同溫度下的材料流動情況，為確定合理擠壓溫度參數提供依據。

3）摩擦因數：對矩形花鍵表面品質影響顯著。通過在數值模型中設置合理的摩擦模型，可更真實地模擬實際擠壓行為，從而有效控制摩擦因數。

3.2材料屬性與接觸定義

在以數值模擬為手段的汽車矩形花鍵擠壓成形分析中，材料參數設定與接觸條件定義是保證模擬結果準確性的核心因素。矩形花鍵常用材質為高強度合金鋼，其屈服極限、彈性模量、熱膨脹系數等參數直接影響花鍵擠壓成形過程的應力應變分布及最終成形品質。

以45號鋼為例，其屈服極限（ 400～550MPa ）決定材料承受外力時開始塑性變形的臨界值，彈性模量（206GPa）決定材料在外力作用后的彈性變形程度，在數值模擬分析中需通過試驗數據對這些參數進行精準確定。同時，需明確材料本構模型為Johnson-Cook模型，關鍵參數包括：密度 7.85g/cm³ 、比熱容460J/（kg?^°C. 、熱導率 50W/（m^?K） ，以及應變率敏感系數0.015、溫度敏感系數0.1。

因此，研究人員需采用有限元分析技術，在試驗數據與理論計算的基礎上，對數值模擬模型進行材料屬性的精確設置，并在接觸條件處合理定義接觸類型，確保數值模擬能為擠壓成形工藝調整提供可靠依據。

3.3模擬過程中的邊界條件與加載路徑

加載路徑與邊界條件的合理設定，是保障模擬模型準確度的另一關鍵因素。邊界條件主要包括溫度、摩擦、模具與坯料接觸條件等，不同邊界條件會直接影響材料流動狀態、應力應變分布及成形件品質。

本模擬中設定的具體參數如下：模具溫度為 250^°C ；壞料初始溫度為 1200^°C ；模具硬度為55HRC；下模下壓速度為 5mm/s ；摩擦形式為剪切摩擦；摩擦系數為0.3；熱傳導系數為1 ）壞料網格劃分（數量為32000，形式為四面體網格）；其他參數（彈性模量、熱膨脹系數、熱導率、比熱容、流動應力數據等）均采用DEFORM-3D材料庫中45鋼在相應溫度下的默認數據。汽車矩形花鍵壞料網格劃分模型如圖1所示。

圖1汽車矩形花鍵壞料網格劃分模型

3.4參數優化方案

基于相關文獻研究與初步模擬結果，確定參數優化范圍；采用單因素輪換法，考察壞料初始溫度、下壓速度、摩擦系數對成形品質量化指標（應力均勻性偏差 ≤15% 、應變集中系數 ≤1.8 、溫度波動范圍≤50^°C ）的影響。需說明的是，單因素輪換法未考慮參數耦合效應，后續可結合正交試驗進一步優化。

4汽車矩形花鍵熱擠壓預鍛過程分析

4.1汽車矩形花鍵成形過程中的應力分析

矩形花鍵在成形過程中，材料因金屬流動、與模具接觸會產生復雜的應力狀態（包含正應力與剪應力）。在熱鍛成形過程中，當矩形花鍵材料發生較大塑性變形時，材料內部的應力分布直接決定成形狀態與模具使用壽命。借助有限元分析方法，可模擬矩形花鍵成形各階段的應力分布情況，進而預測可能出現的裂紋及斷裂位置。

汽車矩形花鍵等效應力分析云圖如圖2所示。由圖可知：優化前最大等效應力為 335MPa ，優化后矩形花鍵齒根與齒頂部位的最大等效應力降至298MPa左右（45鋼屈服強度為 400～550MPa ），優化效果顯著；且變形單元內部的等效應力處于151～224MPa之間，齒根、齒頂部位未產生裂紋，與理論分析結果一致一一該部位變形劇烈，需承受更大應力，這也驗證了模擬的可行性。

圖2汽車矩形花鍵等效應力分析云圖

需特別注意的是，優化后齒根與齒頂部位的應力極有可能已接近甚至達到材料在該溫度、該應變速率下的“極限流動應力”。盡管模擬因本構模型未包含斷裂準則而未預測出裂紋，在實際生產中，該區域仍屬于裂紋萌生的極高風險區；同時，工件上的高應力意味著模具型腔表面需承受同等巨大的壓力，因此在實際生產加工過程中需重點關注該位置的變形情況。

4.2汽車矩形花鍵成形過程中的等效應變分析

在汽車矩形花鍵成形的應變分析與仿真模擬中，其理論基于材料塑性變形時應力狀態的主應力差描述，可明確變形大小與分布規律。實際應用中，通過有限元模型模擬應變量分布，能預測裂紋等缺陷；對比不同工藝參數下的應變分布，發現合適的應變率與溫度可改善成形品質。

因矩形花鍵齒根與齒頂過渡處幾何突變，導致變形程度大、摩擦與流動阻力高、加工硬化嚴重，該部位應變值顯著高于其他區域。汽車矩形花鍵等效應變分析云圖如圖3所示，齒根與齒頂過渡部位最大等效應變達 3.41mm/mm ，其他部位為 0.852～1.7mm/mm 該部位需重點關注，以防裂紋產生。

4.3成形過程中的溫度場分析

在汽車矩形花鍵成形過程的溫度場模擬仿真分析中，溫度場分布的模擬結果揭示了成形過程中溫度變化的關鍵特征。通過精準的仿真模型可觀察到：成形過程中，矩形花鍵材料的溫度從初始溫度迅速上升至接近材料再結晶溫度，隨后在成形壓力作用下，溫度分布呈現不均勻性。

由圖4可知：在矩形花鍵的齒根部分，由于變形程度大，溫度升高顯著，最高溫度可達 1200^°C 。這一現象會導致45鋼晶粒尺寸從初始 10μm 增加至 25μm ，抗拉強度降低 20% 、硬度下降 18% 。根據仿真結果，在實際生產中可通過優化冷卻系統，采用水基冷卻介質（冷卻速率 8～12%/s ），在齒根對應模具位置設置環形冷卻水路（直徑 8mm ，間距15mm ），有效控制溫度場的均勻性，從而提升矩形花鍵的成形品質。

圖3汽車矩形花鍵等效應變分析云圖

圖4汽車矩形花鍵溫度場分析云圖

5結論

1）矩形花鍵的齒根與齒頂為應力集中區，該區域等效應力范圍為 151～224MPa ，最大應力為298MPa ，未出現裂紋，符合塑性變形理論。2）齒根-齒頂過渡區的應變最大，達 3.41mm/ mm ，由于該部位存在幾何突變且流動阻力大，需重點監控以防止裂紋產生。3）塑性變形與摩擦作用導致局部高溫，其中齒根部位最高溫度達 1200°C ，可能降低材料性能，需通過優化冷卻系統實現溫度控制。4）模擬結果驗證了工藝參數的合理性（壞料溫度 1200^°C 、摩擦系數0.3、下壓速度 5mm/s ），該參數組合可顯著減少試錯成本，為模具設計與溫度控制提供可靠依據。

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（編輯 林子衿）