摇臂轴闭塞式成形工艺数值模拟及模具设计

王贵

(江门市兴江转向器有限公司，广东江门 529030)

摇臂轴闭塞式成形工艺数值模拟及模具设计

王贵

(江门市兴江转向器有限公司，广东江门 529030)

汽车摇臂轴作为转向系统重要的传力零件，要求具有较高的力学性能。提出采用闭塞式成形方法进行汽车摇臂轴的锻造成形，并通过有限元方法模拟了几种工艺方案下的闭塞式成形过程，获得了各种工艺方案的汽车摇臂轴闭塞式成形载荷及锻件损伤分布等，分析给出了可行的工艺方案，设计了汽车摇臂轴闭塞式成形模具。经过实际生产，获得了满足要求的汽车摇臂轴闭塞式成形锻件。

汽车摇臂轴；闭塞式成形；有限元模拟；模具设计

0 引言

汽车摇臂轴是多种车型转向系统中的传力零件，要求具有较高的力学性能。由于锻造成形能够获得完好的金属流线并能提高材料利用率和生产效率，因此传统的机加工方法逐渐被锻造成形工艺取代。图1为某一汽车摇臂轴的锻件图，锻件轮廓形状为整体长轴状，总长度为280 mm，中上部齿轮部分大径为64.9 mm，带有5°的锥度，中间齿轮偏心较大，聚料较困难[1]。由于锻件精度要求较高，而且形状比较复杂，文中提出采用闭塞锻造工艺进行该汽车摇臂轴的成形，以提高齿形的精度，实现锻后齿形的少无加工[2-3]。

1 挤压过程数值模拟

采用Deform体积成形专用软件对摇臂轴闭塞式成形过程进行数值模拟，分析确定其坯料规格、预成形形状、终成形充满的工艺条件、模具合理结构及其弹性变形量，为采用闭塞式成形工艺生产该汽车摇臂轴提供参考依据。

由于零件为左右对称的形状，而且其变形难度主要集中在中上部的齿轮处，其受力变形情况也具有左右对称性，因此，取其轴截面的1/2进行模拟。有限元模拟分析模型如图2所示。圆柱形坯料网格数量约为70 000，定义材料为AISI4120[12]，对称面施加约束，模具挤压速度为3 mm/s，坯料与模具之间的摩擦因数为0.3。忽略温度变化，选取不同的始锻温度及不同的模具挤压方式，具体模拟方案如下：方案一：上下凸模双动，1 100 ℃；方案二：上下凸模双动，900 ℃；方案三：上凸模单动，1 100 ℃；方案四：上凸模单动，900 ℃。

上述几种方案的摇臂轴闭塞式成形模拟结果如下：

方案一：上下凸模双动挤压成形，温度设置1 100 ℃，材料设定不变，上下凸模运动速度为3 mm/s。成形过程中的行程载荷曲线如图3所示。可以看到：上凸模整个行程过程中受到的载荷较大，忽略充满时刻急剧增大的载荷，上凸模承受最大载荷约1 790 kN。 图4为成形过程结束时锻件齿形部分的损伤图，该图反映了分析区域在成形过程中发生损伤的可能性大小，可以清楚地看到：齿轮上端头部和下端尾部的损伤值较大，最大损伤值为0.563。

方案二：上下凸模双动挤压成型，温度900 ℃，材料不改变，上下凸模运动速度为3 mm/s。模拟结果显示：上凸模承受最大载荷为2 800 kN ，明显高于1 100 ℃时的成形载荷。锻件损伤分布及最大损伤值与1 100 ℃时较为相似。

方案三：上凸模单动挤压成形，温度设置1 100 ℃，材料设定不变，上凸模运动速度为3 mm/s。图5为行程载荷曲线，可以看到：上凸模承受最大载荷约2 070 kN ，明显高于双向挤压时的模具载荷。从图6可见：尽管损伤分布规律与双向挤压类似，但单向挤压的最大损伤值为0.658，高于双向挤压，也就是说，单向挤压对锻件端部质量影响较大。

方案四：上凸模单动挤压成形，温度900 ℃，上凸模运动速度为3 mm/s。模拟显示的上凸模承受最大载荷为3 400 kN，很明显比1 100 ℃时载荷大。锻件最大损伤为0.658，并且区域较平均，与1 100 ℃单动时的损伤几乎相同。

从上述4种不同的分析方案可以看出：在合理的工艺条件下，闭塞式成形方法都可以保证摇臂轴的充满成形；较高的始锻温度可以降低成形载荷，双向挤压较单向挤压可以减小锻件损伤；由于损伤值较小，各种工艺条件的损伤值都小于1，远远低于碳钢材料引起质量问题的临界损伤值。所以，为使模具设计更为简单，可以采用单向挤压成形方式进行模具结构设计。

2 模具设计

对该摇臂轴锻件，作者提出采用闭塞式成形，其成形过程与挤压类似，其模具结构可参考液压机上模具结构进行设计[4]。与挤压成形不同，闭塞式成形时坯料承受三向压应力状态，变形结束时模具承受较大的载荷，因此，凹模应采用多层组合结构[5-6]。凸模按照正挤压凸模的结构进行设计。

为便于汽车摇臂轴锻件成形后出模，凹模应分为上下两部分分体结构。为防止成形过程中因坯料对凹模作用力导致上下分体凹模分开，应对凹模施加一定的合模力。文中采用弹簧力在凹模合模后随着凸模的下行挤压，通过压板施压弹簧作用在上半个凹模上，提供必要的合模力以防止坯料流入到上下凹模之间产生飞边。

摇臂轴闭塞式成形模具结构如图7所示。图8为采用闭塞式成形工艺生产的汽车摇臂轴锻件。

3 结论

针对汽车摇臂轴锻件成形精度与质量要求，提出采用闭塞式成形工艺方法进行摇臂轴的锻造成形，对不同工艺条件下的成形过程进行了数值模拟，设计了汽车摇臂轴闭塞式成形模具，研究获得的结论如下：

(1)成形温度对锻件损伤影响较小，对闭塞式成形载荷具有显著影响，为降低成形载荷，可适当提高成形的初始温度。

(2)双向挤压较单向挤压成形载荷有所降低，锻件损伤也较小。

(3)双向挤压需要浮动凹模来实现，为简化模具结构，设计了单向挤压成形、组合式凹模上下分体、活动凹模依靠压板及弹簧提供合模力的汽车摇臂轴闭塞式成形模具。

(4)采用数值模拟确定的工艺条件及所设计的闭塞式成形模具，成形了满足要求的汽车摇臂轴锻件。

【1】胡亚民.精锻成形技术60年的发展与进步[J].金属加工,2010(15):3-5.

【2】周利平,韩永刚.精密锻造成型技术及应用[J].机械与电子,2011(21):105-106.

【3】韩豫,陈忠家,王强.直齿内齿轮冷精锻成型工艺研究[J].合肥工业大学学报,2008(12):2-5.

【4】贾俐俐.挤压工艺及模具[M].北京:机械工业出版社,2004.

【5】夏巨谌,韩凤麟,赵一平.中国模具设计大典：第4卷[M].南昌:江西科学技术出版社,2003.

【6】郝海滨.挤压模具简明设计手册[M].北京:化学工业出版社，2006.

Numerical Simulation and Mold Design of the Rockshaft Occlusive Forging Process

WANG Gui

(Jiangmen Xingjiang Steering Gear Co.,Ltd., Jiangmen Guangdong 529030,China)

As an important force transmission part in steering system, the rockshaft is required to have high mechanical properties. The method to forge the car rockshafts in a closed mold was proposed, and the occlusion-type molding processes in several programs were stimulated by finite element analysis. Car rockshaft occlusive forming load and forging damage distribution in several kinds of process programs were obtained. A viable process plan was given by analysis. The car rockshaft occlusive mold was designed. Finally through actual production,the car rockshaft occlusive forgings meeting the requirements were obtained.

Car rockshaft; Occlusive forge forming;Finete element analysis;Mold design

2015-10-09

王贵，男，本科，研究方向为汽车转向系统。E-mail:wanggui0750@163.com。