异形轴套挤压成形数值模拟及模具载荷分析

甘树德，夏 华，杜长华，朱 雄

(重庆理工大学 a.特种焊接材料与技术重庆市高校工程研究中心;b.重庆市模具技术重点实验室，重庆 400054)

轴套作为汽车变速器中的重要零部件，因形状复杂、尺寸精度要求高使得其成形难度较大［1－2］。异形轴套的传统制造模式多为机械加工、特种加工等，材料的利用率、生产效率低，产品力学性能不高，不能很好地满足产品使用要求［3－5］。然而体积成形，特别是冷挤压成形能够有效提高生产效率和材料利用率，可获得表面质量好、尺寸精度高、力学性能好的产品零件，因此被广泛应用于工业生产中［6］。本研究采用冷挤压成形技术，并基于DEFORM有限元模拟软件对异形轴套的成形过程进行了数值模拟分析，根据模拟结果分析轴套的成形情况，通过改善模具结构和力学性能来提高模具的使用寿命［7］，进而为此类零件的实际生产提供理论指导和依据。

1 零件结构及工艺分析

图1为异形轴套的零件图，从图中可以看出该轴套的结构形状较为复杂，其中外部为带有曲面、局部缩颈的回转体，内部存在阶梯台阶及花形曲面，零件的壁厚相差较大，最大壁厚为7 mm，最小壁厚为2 mm。根据零件的形状结构分析可知，该轴套的成形难度集中在外形曲面、内部花形曲面和底部的缩颈。本研究采用冷挤压成形工艺来加工该零件，具体工艺路线:下料、复合挤压制坯、预成形、终成形，并在成形工序进行前增加软化处理和磷化皂化处理等辅助工序，消除坯料的残余应力和改善坯料的润滑条件［8］。

图1 异形轴套零件图

2 数值模拟结果及分析

在异形轴套冷挤压成形工艺路线中，预成形是极其重要的一道工序，其工艺原理为:以预制坯作为预成形的毛坯放入预成形凹模型腔中，随着凸模在一定的挤压速度下运动，复合挤压使坯料充满凹模型腔，完成整个预成形的挤压过程。通过DEFORM软件建立有限元模型对轴套的预成形过程进行数值模拟，分析成形过程中坯料的等效应力、等效应变及成形载荷，以验证采用冷挤压成形工艺来成形异形轴套的可行性［9］。

2.1 成形过程等效应力分析

异形轴套挤压预成形过程中坯料的等效应力场如图2所示。从图中可以看出，随着变形量的增加，其应力值为增大的过程。由图2(a)可见:当外形曲面开始成形时，凸模和坯料底部接触，外形曲面开始变形，应力集中在凸模和坯料接触区域以及坯料和凹模接触区域，其最大应力值为662 MPa。图2(b)为当外形曲面成形结束、内部形状开始成形时的应力分布情况，此时整个坯料应力变化区域明显增大，但应力值变化不大，其最大值为664 MPa。图2(c)为当坯料和凹模底部完全接触开始成形时内部形状的应力分布情况，可见下端应力较小，与凸模完全接触发生变形的区域应力明显增大，其值为667 MPa。图2(d)为成形结束时应力分布情况，此时坯料应力达到最大，最大应力值为696 MPa，分布在坯料变形大的区域。从整个预成形过程的应力变化情况来看，应力较大区域分布在异形轴套成形难度较大的部位，但是预成形件的内部台阶没有产生折叠缺陷，底部最小壁厚处也没有出现破裂缺陷。

图2 成形过程的等效应力分布

2.2 成形过程等效应变分析

异形轴套零件挤压预成形过程中坯料的应变场如图3所示。图3(a)为凸模和坯料接触成形外形曲面时的应变分布情况，应变变化明显区域为坯料和凸模接触发生变形的区域及外形曲面变形区域，其应变最大值为1.12。图3(b)为当外形曲面成形完成、内部形状成形开始时的应变分布，坯料的应变上升为1.49。图3(c)为当坯料与凹模完全接触、凸模下行成形内部花键形状时的应变分布，其应变最大值为3.08。图3(d)为成形结束时的应变分布情况，此时应变主要集中在凸模和坯料接触且变形较大的区域、内形曲面与台阶连接处及底部薄壁处，其最大值为4.71。从轴套预成形过程坯料的等效应变的变化及分布来看，异形轴套的内部台阶和薄壁处的成形质量决定能否顺利地采用冷挤压成形工艺来对其进行挤压成形。

图3 成形过程的等效应变分布

2.3 成形过程凸模载荷分析

异形轴套零件挤压预成形过程中凸模的载荷分布如图4所示。由图4可知，随着变形量的增加其载荷值逐渐增大，随着成形难度的增大凸模载荷增大的趋势更为明显。在第50步时，预成形凸模的载荷值为31.1 kN，此时发生挤压变形的区域为外形曲面，坯料的尺寸变化较小，凸模承载的载荷值相对较小。在第150步时，外部曲面变形结束，开始成形内部台阶曲面，其载荷值为50.1 kN。在成形第200步时，坯料与凹模完全接触反挤压成形内部形状，成形载荷出现一个急剧上升的阶段，其值为182 kN。在第276步时，预成形过程结束，其载荷值为1 300 kN。通过轴套预成形过程的凸模载荷情况分析可知，在成形内部花形曲面时凸模承载的载荷较大，容易产生应力集中并严重影响凸模的使用寿命，可以通过改善凸模花形部分的力学性能来提高其承载能力，从而改善模具的使用寿命。

图4 成形过程中凸模的载荷分布

3 结论

1)通过对异形轴套的预成形过程的数值模拟，分析其在成形过程中等效应力、等效应变的变化情况及分布。结果表明:在成形难度大的区域没有出现折叠和破裂缺陷，因此采用冷挤压成形工艺来成形异形轴套是可行的。

2)异形轴套冷挤压成形的凸模在成形内部花形曲面时所承载的载荷较大，在实际生产过程中可以通过改善凸模的花形部位的力学性能来提高凸模的使用寿命。

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