法兰轴热挤压工艺设计及分析

马勇，彭程，桂伟，赵亚培，魏玉凤

（合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009）

法兰轴是汽车传动系统中重要的轴类零件，主要作用是支持作回转运动的传动零件并传递运动和动力，在恶劣的工作环境中需承受交变载荷，在生产过程中又要经过热处理、锻造、磨削等易引起各种缺陷的工步［1—2］。传统的成形工艺材料利用率低、机械加工余量大、锻后工步多、生产周期较长等［3—4］，这些缺点使得生产成本很高，有碍企业发展。目前，法兰轴大多采用模锻工艺，如闭式模锻、挤压等［5—7］，可以减少能源消耗、提高锻件表面及内部质量，从而达到提高产品质量，降低产品成本的目的。

本课题研究的某型号法兰轴是一个复杂的杯杆复合成形件，法兰台阶和内腔台阶数量多、截面变化剧烈，较难成形。对该法兰轴采用热挤压工艺，根据挤压件形状结构设计了合理的工艺方案，为企业生产提供参考。

1 热挤压成形结构分析

法兰轴是一个复杂的杯杆复合成形件，锻件图如图1所示。该法兰轴可划分为3个部分:①杯口的法兰部分，用于连接汽车传动轴;②复杂异型内腔的杯形结构;③端部的轴杆，与变速箱联接起到传递扭矩的作用。

法兰轴属杯杆复合成形锻件，其法兰及内腔部位变形最大，台阶数量多，截面变化剧烈。由金属镦粗时的变形规律可知，台阶部位属于难变形区域，存在“死角区”，难以充满模腔;法兰部位变形量大，容易在其外表面出现锻造开裂，台阶圆角过渡处出现裂纹、折叠等锻造缺陷［8—14］。根据法兰轴结构及工艺分析，拟定工艺方案:下料→正挤轴部→顶镦头部→反挤法兰及内腔，如图2所示。坯料选择φ53 mm×80 mm的圆棒料，材料利用率为:V锻件/V坯料=91.5%，挤压设备选用10 MN的热模锻压力机，初始挤压温度为1100℃。

图1 法兰轴锻件尺寸Fig.1 Forging figure of the flange shaft

图2 法兰轴的成形方案Fig.2 Forming program of the flanged shaft

2 有限元模型建立

法兰轴的材料为45号钢，在DEFORM-3D中选用AISI-1045［1650-2200F（900～1200℃）］，凸模和凹模预热到300℃，模具为刚性体，热传导系数为11 W/（m2×K），挤压速度为1 mm/s。对于摩擦选择塑性剪切摩擦模型，坯料挤压前经过磷皂化处理，摩擦因数为0.3。由于零件为旋转体，所以取其1/4进行模拟计算，网格数为1.2万个，且网格畸变较大时系统自动重划网格，增量步为每步0.2 mm。法兰轴成形工艺各工步的模具三维图如图3所示。

图3 模具三维图Fig.3 Three-dimensional figure of the mold

3 成形过程分析

3.1 工步一

图4a为工步一正挤轴部的成形效果图，坯料在成形过程中向模具两边流动而溢出，产生镦粗现象，这是因为坯料在台阶部分沿径向受阻力过大，导致受力不均匀，而使坯料向横向流动。因此考虑在凹模上加套环，靠套环的径向压力来防止坯料在成形时的溢出镦粗［15］，其效果如图4b所示，此时锻件充满情况良好，无溢出现象。

图4 工步一模拟效果Fig.4 Simulation effects of the first step

3.2 工步二

图5为工步二顶镦的成形效果图，法兰轴上部镦粗的同时形成较浅的型腔，在型腔各区域都能顺利地完成金属填充，台阶部分圆滑，锻件成形效果良好。

图5 工步二的模拟效果Fig.5 Simulation effects of the second step

3.3 工步三

图6为工步三反挤法兰及型腔的成形效果图。从图6a可以明显看到，法兰头部在成形过程中产生严重的折叠，这是由于头部成形时挤压失稳造成的。将凸模头部直径由75 mm增至80 mm，内腔台阶直径分别加2 mm，其成形效果如图6b所示，法兰头部未出现折叠现象，但在凸凹模间隙中产生了很明显的毛刺，台阶部位的充满情况也不好。将凸模头部直径改为76 mm，内腔台阶直径分别加1 mm，其成形效果如图6c所示，型腔的各个区域都能顺利地完成金属填充，台阶部分填充效果良好，锻件成形效果较好。

图6 工步三的模拟效果Fig.6 Simulation effects of the third step

4 结果分析

等效应力应变能够判断金属成形过程受力情况及变形程度［16］，为了研究成形过程等效应力应变分布及变化情况，在每个工步锻件上取若干点进行追踪记录，得到点追踪应力-时间曲线。

4.1 应力分析

4.1.1 工步一

图7为工步一的等效应力分布。由图7a可以看出，法兰轴在台阶部位形状发生变化，轴杆尾部直接与凹模底部相接，这两处的等效应力都较大，而头部和轴杆上部的等效应力相对较小。由图7b可以看出，在挤压开始阶段，整个工件主体的等效应力整体呈上升趋势，当50 s之后，点P1的等效应力不断变小，点P2，P3的等效应力先变小后又持续增大，点P4的等效应力一直处于较大值。这是由于点P1金属变形量较小，点P2，P3处金属与凹模接触面积小且变形剧烈，点P4一直与凹模底部相接，始终处于高压状态。

图7 工步一的等效应力分布Fig.7 Equivalent stress distribution of the first step

4.1.2 工步二

图8为工步二的等效应力分布。由图8a可以看出，法兰轴在台阶部位和轴杆尾部的等效应力明显较大，法兰轴轴杆不发生变形，因此等效应力均匀且较小。由图8a可以看出，法兰轴顶部点P1，P2，P3，P4的应力曲线较为平滑，应力值均匀升高。P5处的应力一开始变化很小，在约80步左右，增长速度加快，这是因为凸模在挤压内腔台阶时，在径向施加的力增大，从而使轴杆所受到的应力增大。

图8 工步二的等效应力分布Fig.8 Equivalent stress distribution of the second step

4.1.3 工步三

图9为工步三的等效应力分布。由图9a可以看出，只有法兰轴第一个台阶处型腔的等效应力最大，这是因为成形过程只有这里的金属发生了较大变形。由图9b 可以看出，点P1，P2，P3，P4的应力均匀升高，P5处的应力出现波动升高，这是因为工步三金属变形流畅，变形不剧烈。

图9 工步三的等效应力分布Fig.9 Equivalent stress distribution of the third step

4.2 应变分析

4.2.1 工步一

图10为工步一的等效应变分布。由图10a可以明显看出，法兰轴轴杆的应变值明显大于其他部位，这是因为轴杆处直径减小，发生了较大变形。由图10a可以看出，法兰轴在挤压过程中，整个工件的等效应变在50 s左右开始呈上升趋势，此时开始成形台阶，并且点P3，P4的等效应变变化大，说明在轴杆处工件变形量较大。

图10 工步一的等效应变分布Fig.10 Equivalent strain distribution of the first step

4.2.2 工步二

图11为工步二的等效应变分布。由图11a可以看出，法兰轴型腔内的应变值明显大于其他部位，该工步其他部位并没有发生大变形。由图11b可以看出，点P3，P4处的应变变化较大且应变值大于点P1，P2，P5处的应变，而这两点所处的位置正是法兰内腔台阶处，相应的金属变形量大;点P1，P2，P5处的应变值较小且变化不大，说明这三处的金属变形量小。

图11 工步二的等效应变分布Fig.11 Equivalent strain distribution of the first step

4.2.3 工步三

图12为工步二的等效应变分布。由图12a可以看出，法兰轴型腔台阶处的等效应变较大，这是法兰轴最后成形的部位，变形量较大。由图12b可以看出，点P1，P2，P3，P4处的应变值不断增大，这是因为在挤压成形型腔过程中，这些部位都发生了较大变形，出现了3个台阶，型腔尺寸变大，壁厚明显减薄。

图12 工步三的等效应变分布Fig.12 Equivalent strain distribution of the first step

5 结论

以法兰轴为研究对象，对其进行了结构及工艺分析，拟定工艺方案并模拟成形过程，根据其效果，分析了缺陷原因并作工艺优化，确定了最终工艺方案，最终可得如下结论。

1）法兰轴属杯杆复合成形锻件，其法兰及内腔部位变形量大，台阶数量多，截面变化剧烈。根据工艺分析，拟定法兰轴成形工艺方案为:下料→正挤轴部→顶镦头部→反挤法兰及内腔。

2）对其成形过程进行有限元模拟及改进，改进后型腔的各个区域都能顺利地完成金属充型，台阶填充效果较好，无毛刺、折叠等缺陷，锻件整体成形效果良好。

3）对改进方案的模拟结果进行应力应变分析，分析了每个工步挤压件应力应变分布及变化情况，为实际生产提供理论指导。

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