王久林，薛世博，徐杰，趙賓，趙俊然

（1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué)附屬中學(xué)，合肥 230009）

十字軸又稱十字節(jié)或萬向接頭，是汽車萬向節(jié)系統(tǒng)中傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵零件之一，性能要求高，規(guī)格品種多，需求量大，屬于典型的枝杈類鍛件，成形困難［1—2］。傳統(tǒng)加工方法主要有模鍛、胎模鍛等工藝，存在工序繁多，鍛件質(zhì)量差，飛邊金屬損耗大，材料利用率低等缺點(diǎn)［3—4］。

十字軸的形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其不宜采用開式模鍛工藝成形，近幾十年，隨著徑向擠壓技術(shù)的不斷發(fā)展，逐步形成了閉塞式鍛造的一種新型精密成形技術(shù)，該工藝結(jié)合了可分凹模技術(shù)取件方便和徑向擠壓技術(shù)擠壓比大、成形壓力高的優(yōu)點(diǎn)［5］，在生產(chǎn)十字軸等帶枝杈類零件方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，所得鍛件正交性好、尺寸精度高，產(chǎn)品性能好［6—10］。在成形溫度方面，若采用熱擠壓，鍛件氧化、脫碳嚴(yán)重，影響成形質(zhì)量［11—12］;采用冷擠壓成形載荷高，模具壽命低［13］。而溫?cái)D壓由于成形溫度介于兩者之間，所需成形力小，可成形形狀較復(fù)雜的零件;并且鍛件的氧化、脫碳顯著減輕，易于保證鍛件表面質(zhì)量，尺寸精度高［14］。

綜合考慮成形力、模具壽命和鍛件質(zhì)量等多方面因素，文中將借助DEFORM-3D有限元軟件對(duì)十字軸的閉塞式單向溫?cái)D壓工藝進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以驗(yàn)證工藝方案的可行性。

1 成形原理

閉塞式模鍛成形原理如圖1所示。分模面確定在十字軸水平投影最大輪廓面，上模的中心孔為擠壓筒。模鍛時(shí)，首先上下模合模形成擠壓型腔，將圓形坯料垂直放入擠壓筒，進(jìn)而沖頭下行擠壓金屬充填型腔，完成十字軸鍛件的成形。從圖1中還可知:閉塞式模鍛的工藝特點(diǎn)決定了成形過程中必須對(duì)上下模施加足夠的合模力，以抵消型腔內(nèi)壓的張模作用，且型腔內(nèi)壓在金屬填充圓角和飛邊的最后階段達(dá)到最大值，此時(shí)鍛件水平截面積也最大，因而所需張模力往往高于成形力。可見，閉塞式模鍛過程中必須提供足夠的合模力，以保證型腔始終閉合。

圖1 閉塞式模鍛原理Fig.1 The principle of closed die forging

2 十字軸有限元模型

十字軸的閉塞式模鍛有限元模型如圖2所示，為降低工作量，節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取1/2模型展開有限元分析，鍛件體積為128 125 mm3，由體積不變?cè)淼门髁铣叽鐬棣?0.5 mm×64 mm。模型中，坯料定義為變形體，材料20CrMnTi，溫度850℃，網(wǎng)格數(shù)量為100 000;模具為剛性體，溫度250℃;鍛件與模具間換熱系數(shù)為11，沖頭下行速度為10 mm/s，環(huán)境溫度為25℃，采用剪切摩擦模型:

式中:τf為摩擦應(yīng)力;m為摩擦因子（0≤m≤1），取m=0.12;k為剪切屈服極限為平均應(yīng)力。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

3 模擬結(jié)果分析

3.1 成形過程分析

圖3為鍛件成形過程，由圖3可知，隨著沖頭下行，金屬首先充填型腔中部球體部位，該階段主要為鐓粗變形（如圖3a所示）;接著金屬接觸到4個(gè)水平枝杈腔口，開始進(jìn)入枝杈型腔，在鍛件底部各枝杈中心出現(xiàn)溝槽（如圖3b所示）;直至成形終了時(shí)，枝杈充填完整，鍛件各處均與模具型腔完全接觸，不存在金屬充不滿、折疊現(xiàn)象（如圖3c所示）。

圖3 成形過程Fig.3 Forming process

3.2 等效應(yīng)力分析

鍛件等效應(yīng)力分布如圖4所示，由圖4a可知:成形過程中鍛件應(yīng)力呈環(huán)形對(duì)稱分布，金屬進(jìn)入枝杈前，最大應(yīng)力主要集中在沖頭和下模的凸臺(tái)位置;而位于擠壓筒內(nèi)的中心金屬應(yīng)力值接近于0，與型腔接觸的表層金屬由于摩擦的作用始終受到一定應(yīng)力作用。金屬開始進(jìn)入枝杈后（如圖4b所示），應(yīng)力最大值出現(xiàn)在底部，且在上凹模圓角和兩枝杈夾角處存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到418 MPa，容易磨損，這是由于該處金屬流動(dòng)交叉，變形困難。當(dāng)金屬進(jìn)入枝杈穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)（如圖4c所示），鍛件中心應(yīng)力集中性高，上凹模圓角處金屬的應(yīng)力值最大，而枝杈內(nèi)最前端金屬應(yīng)力值很小，接近于0。

3.3 等效應(yīng)變分析

鍛件等效應(yīng)變分布如圖5所示。由圖5可知，成形初期，擠壓筒內(nèi)金屬受模具限制，幾乎不變形，變形主要發(fā)生在沖頭和下凹模球體部位的凹槽附近，而且在凹模凸臺(tái)部位金屬變形量最大，應(yīng)變集中性高;金屬開始流入枝杈后，在枝杈入口處變形量大且金屬流動(dòng)界面減小，流動(dòng)十分困難;進(jìn)入枝杈穩(wěn)定流動(dòng)后，最前端金屬應(yīng)變值接近于0，基本不參與變形，近似剛性平移過程。

圖4 等效應(yīng)力分布Fig.4 Equivalent stress distribution

圖5 等效應(yīng)變分布Fig.5 Equivalent strain distribution

3.4 速度場分析

圖6為金屬流動(dòng)速度場。由圖6a可知，金屬進(jìn)入4個(gè)枝杈型腔的入口處速度不均勻（軸向切面），存在明顯的速度梯度，底部金屬流動(dòng)速度快，這種速度不均勻分布造成枝杈前端金屬端面呈斜面。這是由于在上模圓角處，垂直向下流動(dòng)的金屬轉(zhuǎn)而水平流入枝杈時(shí)，速度損失較大，加之摩擦力的作用，促使金屬端面呈斜面且發(fā)生輕微上翹。由圖6b可知，鍛件底部中心和兩枝杈夾角處存在死區(qū)，金屬流動(dòng)非常困難，該部分幾乎不參與變形，且表層金屬與模具之間還有摩擦力作用，導(dǎo)致枝杈入口處金屬流動(dòng)速度不均勻（底面），中心金屬流動(dòng)速度快，沿徑向逐漸減小。金屬的這種速度梯度，促使成形過程中鍛件底部各枝杈中心出現(xiàn)流動(dòng)溝槽。

圖6 流動(dòng)速度分布Fig.6 Velocity profile

3.5 溫度場分析

圖7為成形過程中鍛件溫度場分布，坯料初始溫度為850℃，模具溫度為250℃。由圖7可知，成形過程中，由于模具溫度低，與模具接觸的表層金屬溫降多，直至成形終了與上沖頭表面接觸金屬接近于模具溫度;而鍛件中心金屬受模具溫降小，且受成形熱的影響，溫度略有升高，最高溫度為874℃。

圖7 溫度場分布Fig.7 Temperature field distribution

3.6 成形載荷分析

載荷-行程曲線如圖8所示，由圖8可知，成形過程可分為3個(gè)階段，第①階段:金屬進(jìn)入4個(gè)枝杈前，變形以鐓粗變形為主，所需成形力較小;第②階段:金屬進(jìn)入4個(gè)枝杈，流動(dòng)非常困難，成形力迅速增大，變形進(jìn)入穩(wěn)定流動(dòng)，成形曲線趨于平緩;第①②階段由于擠壓筒表面與金屬間的摩擦力促使上模壓緊下模，且金屬流動(dòng)順暢，型腔內(nèi)壓小，因此這2個(gè)階段合模力都很小。第③階段即金屬充填枝杈前端圓角和飛邊的最后階段:此時(shí)最前端金屬到達(dá)枝杈型腔底部，流動(dòng)阻力大且行程遠(yuǎn)，金屬溫降多，流動(dòng)十分困難，內(nèi)壓急劇增大，成形力和張模力均快速升高，成形結(jié)束時(shí)成形力為346 t，而張模力超過成形力，達(dá)到480 t。

圖8 載荷-行程曲線Fig.8 Load-stroke curve

4 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性以及該方案的可行性，結(jié)合現(xiàn)有1000 t液壓機(jī)可提供高達(dá)500 t的頂出壓力，實(shí)際模具設(shè)計(jì)時(shí)采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的思想，即合模力（約480 t）由液壓機(jī)滑塊提供，成形力（約346 t）由頂出缸提供，成形原理及實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，圖中彈簧的作用是保證下凹模的回程復(fù)位。由圖9可知，滑塊壓力包括合模力F合、彈簧力F彈、變形所需力F沖三部分，忽略彈簧力，則:

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9 Experimental device

實(shí)驗(yàn)中坯料溫度為850℃，模具溫度為250℃，為降低摩擦力的影響，采用機(jī)油與石墨的混合物對(duì)模具表面進(jìn)行潤滑，實(shí)驗(yàn)過程如圖10所示。由圖10可知:實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合，在鍛件底部存在流動(dòng)溝槽，枝杈前端呈斜面，但這些擠壓缺陷經(jīng)過微量機(jī)加工即可去除;而且直至成形終了鍛件充填完整，不存在金屬折疊和充不滿現(xiàn)象，成形效果較好，相比傳統(tǒng)成形工藝材料利用率顯著提高。

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental result

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)十字軸的閉塞式單向溫?cái)D壓工藝展開了研究，對(duì)成形過程中的等效應(yīng)力應(yīng)變場、速度場、溫度場及成形載荷等進(jìn)行了詳細(xì)分析，完善了該工藝的理論基礎(chǔ)，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了參考和指導(dǎo)。在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功完成了十字軸樣件的試制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合，成形效果較好，驗(yàn)證了該工藝成形十字軸的可行性。

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