徐 輝，徐學春

(上海交通大學模具CAD國家工程研究中心，上海模具技術研究所有限公司，上海 200135)

0 引言

動力輸出軸是動力機械裝置傳遞扭矩輸出動力的關鍵部件之一，在機械設備工作中承受著復雜的交變扭矩和彎曲應力，因此常常出現(xiàn)疲勞裂紋和斷裂現(xiàn)象，進而導致設備故障和零件失效[1]。因此，動力輸出軸需要更高的力學強度和機械性能。

有限元模擬(FEA)塑性成型的原理是利用某種類型的單元將連續(xù)的變形體進行離散，同時將整個變形過程分為若干時間加載步長。通過計算每一加載步上各節(jié)點和單元的物理場，來分析變形體在模具型腔內的流動行為及各種熱學、力學場量的變化規(guī)律，為模具設計和實際加工提供依據(jù)[2]。隨著有限元理論的不斷完善和數(shù)值仿真技術的日趨成熟，使得數(shù)值模擬技術在鍛造成型工藝及模具設計領域得到了廣泛應用，并已經(jīng)成為評判工藝成型性的重要手段[3]。采用FEA不僅可以很好地描述金屬在成型過程中的流動情況、鍛件內各質點的流動規(guī)律，還能定量計算出金屬變形區(qū)的應力、應變和溫度分布狀態(tài)，預測成型缺陷的產生，進而可以對整體鍛造工藝進行仿真和優(yōu)化，改進模具結構和相應工藝參數(shù)，從而有效地提高產品質量，降低生產成本[4-5]。

1 實驗材料與方案

某汽車零部件生產廠商為某型號重卡生產的動力輸出軸零件如圖1所示，材質為40CrMoV5，化學成分詳見表1。產品圖樣要求： 鍛件表面無氧化皮存在，不允許有夾層、折疊、裂紋、過燒、過熱等缺陷；鍛件金屬纖維流線應沿軸向分布；鍛件等溫正火硬度179～219(同件不同部位硬度≤5 HB；同一批不同實件硬度≤15 HB)。該構件為動力輸出的關鍵零部件，在車輛運行過程中傳遞較大的交變扭矩，特別是傳遞扭矩的零件頂端的端齒，其剛度、強度和疲勞壽命等機械性能的可靠性尤為重要。為保證零件的機械性能可靠性，采用鍛造工藝對坯料進行成型加工，并在終鍛工藝完成后，按圖1(a)的方式對零件表面進行切削，同時檢查零件是否存在夾層、裂紋和折疊等缺陷。產品成型工藝路線具體為： 下料→預制坯→終鍛成型→熱處理(正火)→機加工，而本文主要針對預制的終鍛成型工藝進行研究。研究采用FORGE NXT鍛壓成型數(shù)值模擬軟件對輸出軸成型工藝進行仿真分析，獲取其金屬流動規(guī)律、應力應變關系，然后確定影響成型工藝參數(shù)，優(yōu)化坯料的結構模形，最終提高產品良品率。

(a) 零件機加工輪廓

(b) 零件3維結構圖1 輸出軸結構(單位： mm)

表1 輸出軸的化學成分(質量分數(shù))

2 數(shù)值模擬

根據(jù)終鍛產品的零件結構，預估型腔內金屬流動趨勢，本文設計了甲、乙兩種結構的預鍛坯料，在階梯處加大倒角設計，利于成型過程中金屬流動，減小殘余應力。坯料乙比坯料甲在預制結構上更接近終鍛產品。將兩者的3D模型導入FORGE軟件中，并按照相同規(guī)格對兩種預制坯料進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示。網(wǎng)格劃分采用FORGE軟件自帶的3A網(wǎng)格劃分技術，即自動劃分、自動加密、自適應網(wǎng)格。網(wǎng)格單元為四面體，網(wǎng)格尺寸為1.5 mm。坯料甲共劃分35 565個節(jié)點，197 118個單元；坯料乙共劃分36 405個節(jié)點，202 064個單元。然后按照表2的參數(shù)定義邊界條件，坯料溫度為1 100℃，模具材質為模具鋼，預熱溫度為250℃。

(a) 預制坯料甲

(b) 預制坯料乙圖2 預制坯料

表2 邊界條件參數(shù)

3 模擬結果與分析

圖3是兩種坯料形式終鍛過程中的金屬填充仿真效果，坯料甲的填充演化如圖3(a)所示，坯料甲在0.52 s時開始對端齒進行填充，填充過程中在端齒兩側區(qū)域出現(xiàn)明顯的熱開裂缺陷(圖中已標識)，但隨著填充持續(xù)，端齒兩側的裂縫逐漸閉合。坯料乙的填充演化如圖3(b)所示，由于坯料乙結構設計更接近終鍛零件結構，成型速度更快，端齒兩側在成型過程中沒有出現(xiàn)坯料甲中出現(xiàn)的開裂缺陷。因此，乙方案的鍛造填充性能更為優(yōu)異。

(a) 坯料甲填充演變

(b) 坯料乙填充演變圖3 鍛件填充演變

圖4和圖5分別為零件終鍛后的溫度分布和應變分布。由圖4和圖5可知： 零件在鍛造過程中，端齒和飛邊區(qū)域會發(fā)生較為顯著的變形不均，并產生更大的等效應變，而與之相伴的塑性功轉化為熱量。有研究表明： 塑性應變越大，通過導熱、對流等熱傳遞方式散失的熱量越少。兩因素疊加導致該區(qū)域溫度升高，產生熱塑性效應[6-8]。由于更高的溫度和更大的塑性應變會誘導更為顯著的組織演化，可預見端齒和飛邊區(qū)域的溫度場和應變場的極度不均勻性將導致更為顯著的組織不均勻，進而影響零件整體的力學性能。

(a) 坯料甲溫度場

(b) 坯料乙溫度場圖4 溫度場

(a) 坯料甲等效應變

(b) 坯料乙等效應變圖5 等效應變

對比甲、乙兩種方案，可發(fā)現(xiàn)甲方案會導致更高的鍛造溫度和更大的塑性應變，即其溫度場和應變場存在更為顯著的不均勻性，將弱化零件的組織均勻性。因此，從零件性能均勻性角度出發(fā)，乙方案更優(yōu)。

動力輸出軸屬于傳動軸，其主要功能是傳遞扭矩，輸出動力，工況惡劣。傳動軸主要失效形式為疲勞斷裂，因此對產品質量要求非常嚴格，特別是開裂、折疊、填充不足等缺陷需重點關注[5]。圖6為甲、乙兩種預制坯料的折疊缺陷預測圖。圖中采用紅色表示折疊缺陷。對比圖6(a)， 6(b)，可觀察到兩者折疊分布區(qū)域類似，主要分布在大變形區(qū)域，如端齒表面和兩側，飛邊，內凹槽底部，軸下端階梯處，特別是在飛邊處和端齒表面大量集中，基本和圖5中的等效應變分布區(qū)域相同。但由于圖6所示的折疊缺陷主要集中在零件表面，后續(xù)機加切削可將大部分折疊缺陷切除。

(a) 坯料甲折疊缺陷

(b) 坯料乙折疊缺陷圖6 折疊缺陷

產品模鍛時，應力求使金屬按照同一方向沿模鍛件外形流動，避免金屬的流向交叉、對流、急劇彎折和形成漩渦。必須使模鍛件的纖維組織分布合理，使鍛件工作時所受壓力與纖維組織方向垂直，拉力順著纖維組織方向[9-10]。這樣才能保證其組織均勻和力學性能好。圖7(a)和7(b)分別為甲、乙兩種坯料各自終鍛后的金屬流線圖，兩者流線分布大致相同，特別是端齒處流線密集，分布均勻且合理，且與所使用載荷力方向垂直，具有較好的力學性能。然而，甲方案[圖7(a)]出現(xiàn)了一些流線折彎和分布不合理現(xiàn)象。而乙方案[圖7(b)]卻顯示出更為合理的流線分布，因此從流線的角度，乙方案更優(yōu)。

(a) 預制坯料甲金屬流線圖

(b) 預制坯料乙金屬流線圖圖7 金屬流線

4 實驗驗證

根據(jù)甲、乙兩種預制坯料的數(shù)值模擬結果，選擇較優(yōu)的預制坯料乙作為實驗方案，按照數(shù)值模擬的邊界條件設計產品終鍛工藝參數(shù)，車間試模生產預制坯料乙，然后進行終鍛實驗。成功得到了如圖8所示的熱鍛件。從鍛件的幾何形狀來看，工藝實驗所得鍛件與熱鍛模擬結果兩者一致。根據(jù)預制坯料乙的數(shù)值模擬分析，折疊、開裂等缺陷主要集中在端齒兩側、端面和環(huán)側面。對這些區(qū)域進行機加工切削檢測，未發(fā)現(xiàn)存在相關缺陷，產品符合質量要求，印證了數(shù)值模擬的準確性，避免了產品缺陷。

(a) 環(huán)側面機加工切削檢測樣品

(b) 端面機加切削檢測樣品圖8 實驗生產零件

5 結論

(1) 設計了兩種預制坯料結構，并利用FORGE軟件建立了有限元模型，模擬了動力輸出軸的終鍛成型過程，分析了成型過程中的溫度場、等效應變場、材料流動情況等變化規(guī)律。

(2) 通過對比分析兩種模擬結果，選擇預制坯料乙作為實際生產的工藝方案。成功試制出輸出軸鍛件，鍛件形狀滿足設計要求，無折疊、填充不足等缺陷，證明了預鍛方案乙的可行性。