机械连接轴冷锻成形的QForm数值模拟分析

卢秀明

（宿迁泽达职业技术学院，宿迁 223800）

1 研究背景

机械是提升生产效率及产品质量、减轻工作人员负担的重要工具，在产品加工和处理过程中发挥着重要作用。机械连接轴是机械设备中重要的动力传递、运动以及连接部件，其性能水平与机械设备的整体性能直接相关。机械连接轴对热处理、加工特性和成形方式等有较高的要求。只有保证机械连接轴冷锻成形的性能，才能为机械设备的安全运行提供基础。随着经济的发展和科学技术的进步，机械设备冷锻成形工艺数值仿真计算的速度越来越高，且机械设备中的零部件综合性能越来越高，如法兰和连接轴等。机械连接轴是机械传动中常用的过渡连接方式，是做回转运动设备的重要零部件，作用为连接两轴，传递扭矩，使两根轴一起转动。使用机械连接轴的过程中，往往受到各种因素的影响。例如，农业机械连接轴在复杂条件下使用时，水、泥土和往复循环应力等都会影响连接轴。因此，机械连接轴的热物理、疲劳和力学等特性都需要有较高的水平[1]。机械连接轴产品发展比较迅速，且性能各异、种类较多，需要根据不同的要求进行设计和选择，以满足机械设备的性能要求。它的成形方式一般为冷锻成形，能够获得较高的尺寸精度，且寿命长、表面强度高、光洁度好，在各行各业中应用广泛。

国内外众多研究者们通过分析冷锻成形，获得了综合力学性能优良的锻件[2]。例如，曲臂锻件的工艺数值模拟、转向轴零件的数值模拟仿真分析、优化新型汽车曲轴的锻压工艺、冲压焊接结构下拉杆行为数值模拟以及螺纹连接轴的连接加工工艺等。但是，目前关于农业机械连接轴的冷锻成形数值模拟研究不多。本文采取QForm有限元分析软件仿真模拟农业机械连接轴的冷锻成形过程，分析其冷锻成形规律，优化其冷锻成形工艺，以提升其冷锻成形的生产效率，为机械连接轴设计制作提供参考。

2 机械连接轴冷锻成形工艺分析

2.1 机械连接轴材料特性

本文选取农业机械为研究对象，其连接轴参数如图1所示。

图1 机械连接轴的主要尺寸

本次研究选取模具材料为H13模具钢，农业机械连接轴为1010钢。机械连接轴的冷锻成形过程包括挤压和镦粗等。相关材料的特性如表1所示。

表1 模具及毛坯材料的力学及物理特性

2.2 成形过程

机械连接轴需要有较强的承受极端工况和相应的疲劳载荷的能力。机械动力传递及连接方式与连接轴密切相关，其冷锻成形工艺会直接影响机械的整体性能[3]。本次研究的机械连接轴，成形时先经过初期挤压成形，然后形成多阶梯，之后再次挤压成形，最终冷锻成形。锻件表面精度较好，性能优良，如图2所示。需要注意，图2中的数据单位均为mm。

图2 机械连接轴的冷锻成形过程

3 冷锻成形数值模拟结果

3.1 冷锻成形有限元模型

分析机械连接轴的材料和成形工艺，建立数值模拟分析模型，根据冷锻成形工艺分为4个阶段，如图3所示。使用QForm进行数值模拟分析时，先建立连接轴的数值模拟模型，然后设置相对应的热-力条件[4]。其中：成形温度为25 ℃；环境温度为25 ℃；锻造模具与锻造坯料的摩擦系数为0.25[5]；镦粗速度为5 mm·s-1；冷锻速度为1.5 mm·s-1；初挤压速度为5 mm·s-1；挤压速度为1.5 mm·s-1。

图3 模拟模型

3.2 模拟结果分析

3.2.1 初挤压成形及其载荷

使用QForm专业锻压模拟软件进行数值模拟，获得载荷分布和初挤压成形的具体情况，如图4所示。在冷锻成形的第一阶段，毛坯下端随着毛坯下降而不断减少，最终成为阶梯挤压件。在这一过程中，随着挤压时间的不断增加，推杆载荷也呈现增加趋势，其最大载荷为60.1 kN。

图4 初挤压成形模拟

3.2.2 镦粗成形及其载荷分析

根据模拟软件数值仿真，获得第二阶段（镦粗阶段）的工艺参数，如图5所示。在镦粗成形过程中，机械连接轴逐渐成为多级阶梯件。随着时间的增加，推杆载荷在此阶段的变化情况为“不断上升—基本保持不变—继续上升”，最大载荷为125 kN。

图5 镦粗成形模拟

3.2.3 挤压成形及其载荷分布

使用QForm软件模拟分析机械连接轴的冷锻成形挤压阶段，结果如图6所示。毛坯在此阶段成为带花键的连接轴。随着挤压时间的增大，推杆载荷在此阶段的变化情况为“上升—不变—继续上升”，最大载荷为121 kN。

图6 挤压成形阶段模拟

3.2.4 冷锻成形及其载荷分布

使用QForm软件模拟分析机械连接轴的冷锻成形阶段，如图7所示。随着时间的增加，推杆载荷不断上升，其最大载荷为250 kN。

图7 冷终锻成形阶段模拟

4 结语

在机械连接轴冷锻成形的不同阶段，载荷有一定的差异。初挤压成形的初挤压件，随着时间的延长，载荷不断上升；在镦粗阶段，随着时间的延长，载荷“不断上升—不变—继续上升”；在最终冷锻成形阶段，随着时间的延长，载荷不断上升。