中間軸數(shù)值模擬的過程分析

文/桂安朋，吳搏，朱勇，劉念·一汽鍛造（吉林）有限公司

我公司開發(fā)了一款自動(dòng)擋轎車變速器中間軸，材料采用20CrNi2MoH，毛坯成形初期采用熱鍛工藝。通過試制我們發(fā)現(xiàn)：毛坯余量過大，毛坯精度差，不能直接上線加工，需要先粗加工成半成品方能上線；且預(yù)處理造成內(nèi)在組織均勻性變化大，花鍵滾軋精度難以保證。通過分析，采用冷鍛工藝可以滿足毛坯成形需求，其精度能保證余量直接上線加工。冷鍛毛坯圖如圖1所示。

模型的建立

創(chuàng)建新工程

打開FORGE NxT1.0主窗口，在前處理模塊【GLPre】選項(xiàng)中，選擇【新建工程】。將【工程名稱】改為“中間軸冷擠壓”，然后單擊【確定】，打開【新建動(dòng)畫】對(duì)話框，選擇【Template Mode】，選擇“3D only”，選擇【3D_冷鍛_.tst】，將【模擬名稱】“3D_冷鍛_.tst”改為“減徑1”。

圖1 冷鍛毛坯圖

坯料網(wǎng)格劃分

在前處理界面選擇“對(duì)象”，選擇“坯料”，單擊【網(wǎng)格文件】中“..”，打開文件瀏覽目錄，導(dǎo)入坯料的STL模型，本例為“bille-stl”。選擇“對(duì)象”，選擇“坯料”。在工具欄單擊“相框顯示”命令顯示坯料STL網(wǎng)格，如圖2所示。初始的坯料STL網(wǎng)格比較粗糙，為此需要重新細(xì)化。單擊工具欄中“面網(wǎng)格”STL網(wǎng)格劃分，在彈出設(shè)定對(duì)話框中保持默認(rèn)選項(xiàng)，單擊【確定】，重新細(xì)化的坯料STL網(wǎng)格，如圖3所示。

圖2 坯料的原始STL網(wǎng)格

圖3 坯料重新細(xì)化的STL網(wǎng)格

模具位置

調(diào)整模具位置與坯料接觸，在“對(duì)象”欄選擇“上?！?，單擊變換命令，在彈出的【變換】對(duì)話框中選擇【位移】，在【隨向量移動(dòng)對(duì)象】欄輸入向量（0，100，0），即沿y軸向上移動(dòng)100mm。然后單擊調(diào)節(jié)命令，【調(diào)節(jié)到對(duì)象】選擇“坯料”，在【向量】欄輸入（0，-1，0），即沿y軸負(fù)方向移動(dòng)與坯料接觸。同理，選擇“下模”，通過單擊調(diào)節(jié)命令，在【調(diào)節(jié)到對(duì)象】選擇坯料，在【向量】欄輸入（0，1，0），沿y軸正向調(diào)整和坯料接觸，模具位置調(diào)整后，結(jié)果如圖4所示。

圖4 工件和模具位置

計(jì)算參數(shù)設(shè)置

選擇“對(duì)象”欄，選擇“上?！?，然后單擊“屬性”，選擇“定義壓機(jī)”，在【壓機(jī)文件】欄，選擇設(shè)備類型液壓機(jī)，將【初始高度】改為172.357mm，【最終高度】為12mm，【速度】為40mm/s，【停留力】為500t。單擊【模擬】下拉菜單中的【預(yù)覽運(yùn)動(dòng)學(xué)】，預(yù)覽上模運(yùn)動(dòng)情況。

檢查及保存數(shù)據(jù)

在工具欄中單擊“保存”命令進(jìn)行保存，彈出【數(shù)據(jù)文件預(yù)覽】對(duì)話框，檢查設(shè)置數(shù)據(jù)無(wú)誤，單擊【保存數(shù)據(jù)文件】，保存完成后退出前處理界面。

運(yùn)行計(jì)算

打開FORGE啟動(dòng)器，單擊【當(dāng)前工程】欄的瀏覽器“..”下拉按鈕，找到前處理保存的文件，選擇“新建工程.tpf”。然后在任務(wù)欄中右鍵單擊，在下拉菜單中選擇【快速啟動(dòng)】，在彈出的對(duì)話框中的【過程數(shù)】輸入4，單擊【現(xiàn)在啟動(dòng)】計(jì)算。

模擬結(jié)果分析

模擬計(jì)算完成顯示圖標(biāo)，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選擇【GLview Inova（Blocker）】，打開后處理界面，如圖5所示。

實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用

輸入軸冷鍛模具結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)中我們采用通用冷鍛模架，預(yù)成形和終成形工序的模芯結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。凹模結(jié)構(gòu)均采用組合式凹模，凹模與外套采用過盈配合，以施加預(yù)緊力，減少冷鍛時(shí)模具開裂。凹模內(nèi)芯材料一般采用基體鋼YXR3材料（調(diào)質(zhì)58～60HRC），外套采用H13材料（調(diào)質(zhì)43～45HRC），凹模頂桿采用Cr12MoV材料（調(diào)質(zhì)58～60HRC）。組合凹模受力較大的地方采用典型的2層預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，受力不大的地方采用單層預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

工藝過程及成形情況

中間軸采用的工藝流程如圖7所示。下料后對(duì)棒料進(jìn)行球化退火，退火后硬度在150～160HB之間。等溫正火后的機(jī)加工主要是加工鍛件右側(cè)的三個(gè)凹槽和銑兩個(gè)端面及中心孔。冷擠壓后鍛件及加工件如圖8所示。

圖5 后處理界面

圖6 模具結(jié)構(gòu)圖

圖7 中間軸采用的工藝流程

圖8 冷擠壓成形鍛件及加工件

表1 冷鍛毛坯與熱鍛毛坯車削性能對(duì)比

機(jī)械加工性能驗(yàn)證

冷鍛毛坯與熱鍛毛坯車削性能對(duì)比見表1。冷擠壓毛坯車削斷屑性能優(yōu)于熱鍛毛坯，加工無(wú)纏屑，有利于自動(dòng)化及數(shù)控車削中心生產(chǎn)線生產(chǎn)；兩種毛坯的表面質(zhì)量相近，均滿足工序要求。

冷軋花鍵性能

對(duì)精車完的軸齒進(jìn)行花鍵冷軋?jiān)囼?yàn)，觀察齒面形貌、并統(tǒng)計(jì)相關(guān)輪齒精度，圖9為冷軋花鍵的齒面狀態(tài)?；ㄦI徑跳Fr對(duì)比如圖10所示。冷擠壓毛坯滾軋的花鍵成形性比較好，金屬流動(dòng)正常；花鍵精度及穩(wěn)定性方面都優(yōu)于熱鍛毛坯。

結(jié)論

圖9 冷擠壓毛坯花鍵形貌

圖10 冷擠壓與熱鍛毛坯搓齒Fr對(duì)比

⑴通過仿真計(jì)算、模具開發(fā)及工藝試驗(yàn)研究，成功開發(fā)出轎車變速器的軸齒零件冷擠壓成形毛坯。

⑵冷鍛毛坯近凈成形，提升材料利用率，降低切削加工余量，實(shí)現(xiàn)材料與工藝降成本。

⑶冷鍛毛坯的熱前加工特性優(yōu)于“熱鍛+等溫正火”，能夠獲得良好穩(wěn)定的熱前齒輪精度和花鍵精度。

⑷冷鍛毛坯內(nèi)在質(zhì)量適合高速數(shù)控銑的應(yīng)用。

⑸冷鍛毛坯熱處理變形可控及穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)熱前反向補(bǔ)償。