基于Deform-3D十字軸徑向擠壓工藝的研究

徐文漢，趙愛彬

（遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧 撫順 113001）

十字軸是汽車傳動系統(tǒng)中的重要零件，傳統(tǒng)的制作方法是胎模鍛或模鍛，但此種方法材料利用率僅為 51.6%，材料成本占產(chǎn)品總成本的 49.3%[1-2]。為提高產(chǎn)品的材料利用率，通過對十字軸產(chǎn)品具體要求的分析和研究，決定采用徑向擠壓工藝成形。而徑向擠壓成形過程中由于受摩擦因數(shù)、溫度、擠壓速度的影響，其最終成形的等效應變、等效應力以及溫度乃至成形后的缺陷都會呈現(xiàn)多樣化[3-4]。本文利用Deform-3D軟件對20Cr鋼徑向擠壓生產(chǎn)十字軸進行數(shù)值模擬，通過改變坯料成形的影響因素：擠壓速度、摩擦因數(shù)、溫度等來觀察成形后坯料的應力場、應變場、損傷及最大主應力的分布規(guī)律，獲得準確的徑向擠壓參數(shù)，從而在實際中更好的指導徑向擠壓過程，減少壞件、廢件的產(chǎn)生率以及避免質(zhì)量事故的發(fā)生。

1 材料和方法

圖1 十字軸擠壓件

圖2 擠壓件所用毛坯

本文所用材料為20Cr鋼（即AISI-5120），要得到的十字軸擠壓件見圖1，通過計算所需要的毛坯見圖2。利用Pro/EWildfire 5.0三維制圖軟件建立擠壓模具及坯料，設定參數(shù)利用Deform-3D軟件進行徑向擠壓模擬。確定擠壓影響因素擠壓速度分別為1mm/s、2 mm/s、5 mm/s。通過模擬分析確定最佳擠壓速度后分別選擇不同摩擦因子0.12、0.25、0.7，及不同擠壓溫度20℃、500℃及1150℃對材料進行模擬，分析其不同影響規(guī)律。并在圖上選擇基本3點（見圖4）進行點追蹤觀察其變形區(qū)及非變形區(qū)應力、應變、損傷及最大主應力變化，得出最好的工藝參數(shù)。

2 模擬結(jié)果和討論

2.1 擠壓速度對鋁合金反擠壓過程的影響

2.1.1 不同擠壓速度的等效應力圖

從圖3可以看出，不同速度時，三點的應力變化圖形基本一致，1點是隨著下壓時間應力上升、下降再迅速上升。2點屬于強烈變形區(qū)，隨著下壓劇烈增加，到峰值后下降再增加。3點應力持續(xù)增加。

2.1.2 不同擠壓速度的應變圖

從圖4可以看出1點隨著下壓時間沒有太大變化，應變值很小。2點變形區(qū)先是增加，增加到一定值不發(fā)生變化。3點開始不發(fā)生變化，到一定程度也在增加。三張圖外形基本一致，只是擠壓速度為2mm/s，應變值略大。

2.1.3 不同擠壓速度損傷圖

從圖5可以看出只有2點變形區(qū)損傷比較大，其他兩點都比較小。擠壓速度為2mm/s時，3點損傷值比其它略大，但是值也非常小。速度為5mm/s時，2點的損傷值達到0.607，遠遠高于速度為1mm/s和2 mm/s的0.4?？梢娫龃笃鋽D壓速度，雖然能提高生產(chǎn)率但是往往容易造成零件的損傷。

2.1.4 不同擠壓速度最大主應力圖

圖3 不同擠壓速度等效應力圖

圖4 不同擠壓速度等效應變圖

圖5 不同擠壓速度損傷圖

從圖6可以看出主應力外形比較相似，但是擠壓速度為1mm/s時，2點最大主應力最高值接近840，速度為2mm/s時最高值接近699，速度為5mm/s時最大主應力最高值接近1000。如果在變形過程中，主應力超過其屈服點，材料容易產(chǎn)生變形開裂的趨勢，所以我們希望其有比較小的最大主應力，我們從圖上可以看出速度為2時其最大主應力最小，是最適合選擇的變形速度。

2.2 摩擦因子對徑向擠壓過程的影響

2.2.1 不同摩擦因子等效應力圖

從圖7可以看出1點都是先增加再下降而后上升，而隨著摩擦因子的增加，等效應力初始增加幅度明顯增大。2點變形區(qū)形狀基本沒有明顯變化。3點變化最明顯，隨著摩擦因子的增加，應力明顯增加。摩擦因子為0.7時，應力明顯增加，甚至超過2點變形區(qū)。

2.2.2 不同摩擦因子等效應變圖

從圖8可以看出，隨著摩擦力的增加，3點應變明顯增加，峰值達到8.3，明顯高于摩擦因子為0.25時的3.22，高于摩擦因子為0.12時的1.44.其它兩點應變變化基本一致。

2.2.3 不同摩擦因子損傷圖

從圖9上可以看出，摩擦因子為0.12、0.25時2點的損傷值相差不多，而摩擦因子為0.7時，2點的損傷值明顯增加。

圖6 不同擠壓速度最大主應力圖

圖7 不同摩擦因子等效應力圖

圖8 不同摩擦因子等效應變圖

圖9 不同摩擦因子損傷圖

圖10 不同摩擦因子最大主應力圖

圖11 不同溫度等效應力圖

圖12 不同溫度等效應變圖

圖13 不同溫度損傷圖

圖14 不同溫度最大主應力圖

2.2.4 不同摩擦因子最大主應力圖

從圖10可以看出，三點的外形變化不大，應力值變化也不大。

2.3 溫度對徑向擠壓過程的影響

2.3.1 不同溫度等效應力圖

2.3.2 不同溫度等效應變圖

從圖11可以看出，隨著溫度升高，應力明顯下降，尤其2點變形區(qū)下降明顯，由20℃的830左右下降到1150℃的520左右。圖12可以看出應變變化不明顯，500℃時3點應變值略高于其他。

2.3.3 不同溫度損傷圖

從圖13可以看出溫度為1150℃時2點損傷值最大為0.659，而20℃和500℃損傷值僅為0.44、0.45。

2.3.3 不同溫度最大主應力圖

從圖14可以看出，隨著溫度的升高，三點的最大主應力均明顯下降，2點的最大主應力20℃時接近699，而1150℃時僅為接近398.可見溫度升高材料的塑性增大，更容易成形。

3 結(jié)論

（1）在摩擦因數(shù)、溫度一致，僅調(diào)整成形速度時，擠壓速度為2m/s時，其損傷值及最大主應力均低于擠壓速度為5m/s時，得到的擠壓件表面更加平滑質(zhì)量更好，而且生產(chǎn)率也明顯高于擠壓速度為1m/s時，可見2m/s是選用的合理擠壓速度。

（2）在成形速度、溫度一致，僅調(diào)整摩擦因數(shù)的時候，隨著摩擦系數(shù)的增加，摩擦系數(shù)為0.7時，其3點的等效應力、等效應變明顯高于其它摩擦因子時，2點的損傷值也明顯高于其它摩擦因子。

（3）在摩擦因數(shù)、成形速度一致，僅調(diào)整溫度時，隨著溫度升高其等效應力、最大主應力均明顯下降，材料更容易成形，但1150℃時其損傷值明顯增大，材料更容易出現(xiàn)缺陷，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，更適合選用溫擠壓500℃時。

[1] 王輝宇.十字軸鍛件的徑向擠壓成形工藝 [J].鍛壓技術，1990，（2）：59-60.

[2] 嚴健鳴，王成勇，朱取才，等.雙凸模冷徑向擠壓十字軸的模擬[J].精密成形工程，2013，5（2）：51-54.

[3] 胡建軍，李 平.DEFORM-3D塑性成形CAE應用教程[M].北京：北京大學出版社，2011.

[4] 李傳民，王向麗，閆華君.DEFORM 5.03金屬成形有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.