異形軸套擠壓成形數(shù)值模擬及模具載荷分析

甘樹德，夏 華，杜長華，朱 雄

(重慶理工大學(xué) a.特種焊接材料與技術(shù)重慶市高校工程研究中心;b.重慶市模具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

軸套作為汽車變速器中的重要零部件，因形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高使得其成形難度較大［1－2］。異形軸套的傳統(tǒng)制造模式多為機(jī)械加工、特種加工等，材料的利用率、生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品力學(xué)性能不高，不能很好地滿足產(chǎn)品使用要求［3－5］。然而體積成形，特別是冷擠壓成形能夠有效提高生產(chǎn)效率和材料利用率，可獲得表面質(zhì)量好、尺寸精度高、力學(xué)性能好的產(chǎn)品零件，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中［6］。本研究采用冷擠壓成形技術(shù)，并基于DEFORM有限元模擬軟件對(duì)異形軸套的成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果分析軸套的成形情況，通過改善模具結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能來提高模具的使用壽命［7］，進(jìn)而為此類零件的實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 零件結(jié)構(gòu)及工藝分析

圖1為異形軸套的零件圖，從圖中可以看出該軸套的結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，其中外部為帶有曲面、局部縮頸的回轉(zhuǎn)體，內(nèi)部存在階梯臺(tái)階及花形曲面，零件的壁厚相差較大，最大壁厚為7 mm，最小壁厚為2 mm。根據(jù)零件的形狀結(jié)構(gòu)分析可知，該軸套的成形難度集中在外形曲面、內(nèi)部花形曲面和底部的縮頸。本研究采用冷擠壓成形工藝來加工該零件，具體工藝路線:下料、復(fù)合擠壓制坯、預(yù)成形、終成形，并在成形工序進(jìn)行前增加軟化處理和磷化皂化處理等輔助工序，消除坯料的殘余應(yīng)力和改善坯料的潤滑條件［8］。

圖1 異形軸套零件圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在異形軸套冷擠壓成形工藝路線中，預(yù)成形是極其重要的一道工序，其工藝原理為:以預(yù)制坯作為預(yù)成形的毛坯放入預(yù)成形凹模型腔中，隨著凸模在一定的擠壓速度下運(yùn)動(dòng)，復(fù)合擠壓使坯料充滿凹模型腔，完成整個(gè)預(yù)成形的擠壓過程。通過DEFORM軟件建立有限元模型對(duì)軸套的預(yù)成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析成形過程中坯料的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變及成形載荷，以驗(yàn)證采用冷擠壓成形工藝來成形異形軸套的可行性［9］。

2.1 成形過程等效應(yīng)力分析

異形軸套擠壓預(yù)成形過程中坯料的等效應(yīng)力場(chǎng)如圖2所示。從圖中可以看出，隨著變形量的增加，其應(yīng)力值為增大的過程。由圖2(a)可見:當(dāng)外形曲面開始成形時(shí)，凸模和坯料底部接觸，外形曲面開始變形，應(yīng)力集中在凸模和坯料接觸區(qū)域以及坯料和凹模接觸區(qū)域，其最大應(yīng)力值為662 MPa。圖2(b)為當(dāng)外形曲面成形結(jié)束、內(nèi)部形狀開始成形時(shí)的應(yīng)力分布情況，此時(shí)整個(gè)坯料應(yīng)力變化區(qū)域明顯增大，但應(yīng)力值變化不大，其最大值為664 MPa。圖2(c)為當(dāng)坯料和凹模底部完全接觸開始成形時(shí)內(nèi)部形狀的應(yīng)力分布情況，可見下端應(yīng)力較小，與凸模完全接觸發(fā)生變形的區(qū)域應(yīng)力明顯增大，其值為667 MPa。圖2(d)為成形結(jié)束時(shí)應(yīng)力分布情況，此時(shí)坯料應(yīng)力達(dá)到最大，最大應(yīng)力值為696 MPa，分布在坯料變形大的區(qū)域。從整個(gè)預(yù)成形過程的應(yīng)力變化情況來看，應(yīng)力較大區(qū)域分布在異形軸套成形難度較大的部位，但是預(yù)成形件的內(nèi)部臺(tái)階沒有產(chǎn)生折疊缺陷，底部最小壁厚處也沒有出現(xiàn)破裂缺陷。

圖2 成形過程的等效應(yīng)力分布

2.2 成形過程等效應(yīng)變分析

異形軸套零件擠壓預(yù)成形過程中坯料的應(yīng)變場(chǎng)如圖3所示。圖3(a)為凸模和坯料接觸成形外形曲面時(shí)的應(yīng)變分布情況，應(yīng)變變化明顯區(qū)域?yàn)榕髁虾屯鼓＝佑|發(fā)生變形的區(qū)域及外形曲面變形區(qū)域，其應(yīng)變最大值為1.12。圖3(b)為當(dāng)外形曲面成形完成、內(nèi)部形狀成形開始時(shí)的應(yīng)變分布，坯料的應(yīng)變上升為1.49。圖3(c)為當(dāng)坯料與凹模完全接觸、凸模下行成形內(nèi)部花鍵形狀時(shí)的應(yīng)變分布，其應(yīng)變最大值為3.08。圖3(d)為成形結(jié)束時(shí)的應(yīng)變分布情況，此時(shí)應(yīng)變主要集中在凸模和坯料接觸且變形較大的區(qū)域、內(nèi)形曲面與臺(tái)階連接處及底部薄壁處，其最大值為4.71。從軸套預(yù)成形過程坯料的等效應(yīng)變的變化及分布來看，異形軸套的內(nèi)部臺(tái)階和薄壁處的成形質(zhì)量決定能否順利地采用冷擠壓成形工藝來對(duì)其進(jìn)行擠壓成形。

圖3 成形過程的等效應(yīng)變分布

2.3 成形過程凸模載荷分析

異形軸套零件擠壓預(yù)成形過程中凸模的載荷分布如圖4所示。由圖4可知，隨著變形量的增加其載荷值逐漸增大，隨著成形難度的增大凸模載荷增大的趨勢(shì)更為明顯。在第50步時(shí)，預(yù)成形凸模的載荷值為31.1 kN，此時(shí)發(fā)生擠壓變形的區(qū)域?yàn)橥庑吻?，坯料的尺寸變化較小，凸模承載的載荷值相對(duì)較小。在第150步時(shí)，外部曲面變形結(jié)束，開始成形內(nèi)部臺(tái)階曲面，其載荷值為50.1 kN。在成形第200步時(shí)，坯料與凹模完全接觸反擠壓成形內(nèi)部形狀，成形載荷出現(xiàn)一個(gè)急劇上升的階段，其值為182 kN。在第276步時(shí)，預(yù)成形過程結(jié)束，其載荷值為1 300 kN。通過軸套預(yù)成形過程的凸模載荷情況分析可知，在成形內(nèi)部花形曲面時(shí)凸模承載的載荷較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中并嚴(yán)重影響凸模的使用壽命，可以通過改善凸?；ㄐ尾糠值牧W(xué)性能來提高其承載能力，從而改善模具的使用壽命。

圖4 成形過程中凸模的載荷分布

3 結(jié)論

1)通過對(duì)異形軸套的預(yù)成形過程的數(shù)值模擬，分析其在成形過程中等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的變化情況及分布。結(jié)果表明:在成形難度大的區(qū)域沒有出現(xiàn)折疊和破裂缺陷，因此采用冷擠壓成形工藝來成形異形軸套是可行的。

2)異形軸套冷擠壓成形的凸模在成形內(nèi)部花形曲面時(shí)所承載的載荷較大，在實(shí)際生產(chǎn)過程中可以通過改善凸模的花形部位的力學(xué)性能來提高凸模的使用壽命。

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