基于数值模拟的多阶梯轴镦粗工艺研究

苗 进，朱明贞

（1.江苏凯俊机械有限公司，江苏 宿迁 223800；2.宿迁学院机电工程学院，江苏 宿迁 223800）

汽车底盘中有很多轴类零件，其主要作用是传递扭矩和承受载荷[1-3]，一般的加工工艺方法有切削加工、阶梯处一次镦粗再进行切削、逐级镦粗的工艺方法。本文研究的轴是某汽车用花键扭杆，如图1所示，材料为45#钢，属于细长轴，备料时若采用直径为52 mm的棒料直接在车床上进行车削，加工余量大，材料利用率低，还不易解决轴的跳动问题。若一次镦成直径为52 mm、长度为173.8 mm的大阶梯再进行车削，则需要较大的镦粗设备，且还有10 mm的加工余量需要在车床上完成车削加工。若采用逐级镦粗，毛坯需要加热两次，增加了一道工序，浪费能源。为了解决以上问题，现提出一种新的加工工艺，即备料时采用直径为42 mm的毛坯，采用中频感应加热将毛坯加热至1 200 ℃，先后经过两副镦粗模具，成形出图1所示阶梯处形状，然后再在车床上进行精加工，去除镦粗时表面产生的氧化皮。为确保上述工艺可行，采用Deform-3D有限元软件进行数值模拟[4-7]，模拟验证该工艺的可行性，并为实际生产提供成形工艺参数。

图1 花键扭杆

1 建立有限元模型

本研究中花键扭杆结构简单对称，材料45#钢的塑性较好，精度要求一般，选用直径为42 mm的圆棒料作为坯料。通过Creo软件绘制出扭杆三维图形，根据体积不变原则计算出所需要的毛坯长度为697 mm。

运用Creo软件建立两副镦粗模型[8-9]，为了减少后面计算量，毛坯设计时仅截取需要成形的部分，第一副模具镦粗成图2所示半成品，模具图如图3所示。第二副镦粗成图4所示成品，镦粗模具图如图5所示，图3、图5中的1为模具型腔，2为推杆。因为两副模具是安装在同一平锻机上同时完成镦粗，所以两副模具的推杆行程设计是关键。第一副模具锻造时的推杆行程为17 mm，第二副模具锻造时的推杆行程为24 mm。

图3 第一副镦粗模具

图4 第二副镦粗成品

图5 第二副镦粗模具

2 有限元模拟及结果分析

2.1 第一次镦粗分析

将上述设计好的有限元数值模型以stl格式导入Deform-3D软件并完成前处理，第一次镦粗时毛坯划分的网格为80 000个，图2中毛坯左端15 mm处设计固定，防止其发生转动及窜动，毛坯的所有面设计为接触面，推杆2设计为主模具，其推动毛坯向左运动，速度为8 mm/s[10]。模具的初始温度设计为300 ℃，毛坯设计温度为1 200 ℃，毛坯和模具之间的摩擦系数为0.3。第一次镦粗前毛坯和空气、毛坯和模具下型腔之间存在热交换，实际毛坯模拟的温度为11 850 ℃~1 190 ℃。图6是第一次镦粗载荷随时间变化情况，随着时间变化及毛坯与型腔接触面积的增大载荷逐渐平稳上升，在锻造后期载荷迅速增加直至毛坯充满型腔，最大载荷为400 kN，该载荷与计算结果基本一致。

图2 第一副镦粗半成品

图6 第一次镦粗分析时间、载荷图

图7 （a）为最终等效应力图，从图7中可以看出在整个镦粗过程中锥部的应力应变都比较小，而在镦粗的后期及向圆角过渡的位置应力开始变大，这主要是因为毛坯与模具的接触面积发生改变，整个镦粗过程中金属流动情况较好。图7（b）为等效应变图，等效应变主要反映金属的变形程度，整个变形区变形平缓，变形主要集中在向圆角过渡的位置，其值大概为0.66 mm/mm。

图7 第一次镦粗等效应力、应变图

2.2 第二次镦粗分析

将第一次模拟结束后的DB文件及KEY文件导入，并设计第一次镦粗的最后一步最为第二次镦粗的第一步，此时毛坯的温度范围在963 ℃~1 183 ℃，模具的初始温度为300 ℃，两者之间的摩擦系数为0.3。图8为第二次镦粗载荷随时间变化情况，其变化规律同第一次镦粗，最大载荷约为430 kN，该载荷与计算结果基本一致。

图8 第二次镦粗分析时间、载荷图

图9 为第二次镦粗等效应力、应变图，从图9（a）中可以看出应力主要集中开始在圆角位置和镦粗后期的圆角位置，最大值在200 MPa左右；从图9（b）中可以看出整个应变变化平缓，在最后的阶段由于材料有部分折叠，使应变有所变化，该值在1 mm/mm左右，基本不影响成形效果。两次镦粗结束后将其放置到室温中冷却2 d~3 d，再进行车削去除锻造后产生的氧化皮及折叠等，以达到表面粗糙度和尺寸精度要求。

图9 第二次镦粗等效应力、应变图

3 生产验证

根据数值仿真数据及模拟结果，设计两副镦粗模具并将其安装在同一平锻机上。其台阶部分的成形工序为下料—感应加热—连续两次镦粗，毛坯材料为45#钢，感应加热温度为1 180 ℃~1 200 ℃，模具的初始温度不低于300 ℃，在整个成形的过程中温度控制是重点，必须减少非必要的能量损失；为了保证质量，提高效率，连续镦粗的过程可以采用机械手臂进行自动化操作，该方法有效提高了阶梯轴类零件的加工效率，可降低成本，解决了车削加工余量大、浪费能源的问题。