基于Deform-3D十字轴径向挤压工艺的研究

2018-03-28徐文汉赵爱彬

锻压装备与制造技术 2018年1期

徐文汉，赵爱彬

（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001）

十字轴是汽车传动系统中的重要零件，传统的制作方法是胎模锻或模锻，但此种方法材料利用率仅为 51.6%，材料成本占产品总成本的 49.3%[1-2]。为提高产品的材料利用率，通过对十字轴产品具体要求的分析和研究，决定采用径向挤压工艺成形。而径向挤压成形过程中由于受摩擦因数、温度、挤压速度的影响，其最终成形的等效应变、等效应力以及温度乃至成形后的缺陷都会呈现多样化[3-4]。本文利用Deform-3D软件对20Cr钢径向挤压生产十字轴进行数值模拟，通过改变坯料成形的影响因素：挤压速度、摩擦因数、温度等来观察成形后坯料的应力场、应变场、损伤及最大主应力的分布规律，获得准确的径向挤压参数，从而在实际中更好的指导径向挤压过程，减少坏件、废件的产生率以及避免质量事故的发生。

1 材料和方法

图1 十字轴挤压件

图2 挤压件所用毛坯

本文所用材料为20Cr钢（即AISI-5120），要得到的十字轴挤压件见图1，通过计算所需要的毛坯见图2。利用Pro/EWildfire 5.0三维制图软件建立挤压模具及坯料，设定参数利用Deform-3D软件进行径向挤压模拟。确定挤压影响因素挤压速度分别为1mm/s、2 mm/s、5 mm/s。通过模拟分析确定最佳挤压速度后分别选择不同摩擦因子0.12、0.25、0.7，及不同挤压温度20℃、500℃及1150℃对材料进行模拟，分析其不同影响规律。并在图上选择基本3点（见图4）进行点追踪观察其变形区及非变形区应力、应变、损伤及最大主应力变化，得出最好的工艺参数。

2 模拟结果和讨论

2.1 挤压速度对铝合金反挤压过程的影响

2.1.1 不同挤压速度的等效应力图

从图3可以看出，不同速度时，三点的应力变化图形基本一致，1点是随着下压时间应力上升、下降再迅速上升。2点属于强烈变形区，随着下压剧烈增加，到峰值后下降再增加。3点应力持续增加。

2.1.2 不同挤压速度的应变图

从图4可以看出1点随着下压时间没有太大变化，应变值很小。2点变形区先是增加，增加到一定值不发生变化。3点开始不发生变化，到一定程度也在增加。三张图外形基本一致，只是挤压速度为2mm/s，应变值略大。

2.1.3 不同挤压速度损伤图

从图5可以看出只有2点变形区损伤比较大，其他两点都比较小。挤压速度为2mm/s时，3点损伤值比其它略大，但是值也非常小。速度为5mm/s时，2点的损伤值达到0.607，远远高于速度为1mm/s和2 mm/s的0.4。可见增大其挤压速度，虽然能提高生产率但是往往容易造成零件的损伤。

2.1.4 不同挤压速度最大主应力图

图3 不同挤压速度等效应力图

图4 不同挤压速度等效应变图

图5 不同挤压速度损伤图

从图6可以看出主应力外形比较相似，但是挤压速度为1mm/s时，2点最大主应力最高值接近840，速度为2mm/s时最高值接近699，速度为5mm/s时最大主应力最高值接近1000。如果在变形过程中，主应力超过其屈服点，材料容易产生变形开裂的趋势，所以我们希望其有比较小的最大主应力，我们从图上可以看出速度为2时其最大主应力最小，是最适合选择的变形速度。