苗 進(jìn)，朱明貞

（1.江蘇凱俊機械有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

汽車底盤中有很多軸類零件，其主要作用是傳遞扭矩和承受載荷[1-3]，一般的加工工藝方法有切削加工、階梯處一次鐓粗再進(jìn)行切削、逐級鐓粗的工藝方法。本文研究的軸是某汽車用花鍵扭桿，如圖1所示，材料為45#鋼，屬于細(xì)長軸，備料時若采用直徑為52 mm的棒料直接在車床上進(jìn)行車削，加工余量大，材料利用率低，還不易解決軸的跳動問題。若一次鐓成直徑為52 mm、長度為173.8 mm的大階梯再進(jìn)行車削，則需要較大的鐓粗設(shè)備，且還有10 mm的加工余量需要在車床上完成車削加工。若采用逐級鐓粗，毛坯需要加熱兩次，增加了一道工序，浪費能源。為了解決以上問題，現(xiàn)提出一種新的加工工藝，即備料時采用直徑為42 mm的毛坯，采用中頻感應(yīng)加熱將毛坯加熱至1 200 ℃，先后經(jīng)過兩副鐓粗模具，成形出圖1所示階梯處形狀，然后再在車床上進(jìn)行精加工，去除鐓粗時表面產(chǎn)生的氧化皮。為確保上述工藝可行，采用Deform-3D有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[4-7]，模擬驗證該工藝的可行性，并為實際生產(chǎn)提供成形工藝參數(shù)。

圖1 花鍵扭桿

1 建立有限元模型

本研究中花鍵扭桿結(jié)構(gòu)簡單對稱，材料45#鋼的塑性較好，精度要求一般，選用直徑為42 mm的圓棒料作為坯料。通過Creo軟件繪制出扭桿三維圖形，根據(jù)體積不變原則計算出所需要的毛坯長度為697 mm。

運用Creo軟件建立兩副鐓粗模型[8-9]，為了減少后面計算量，毛坯設(shè)計時僅截取需要成形的部分，第一副模具鐓粗成圖2所示半成品，模具圖如圖3所示。第二副鐓粗成圖4所示成品，鐓粗模具圖如圖5所示，圖3、圖5中的1為模具型腔，2為推桿。因為兩副模具是安裝在同一平鍛機上同時完成鐓粗，所以兩副模具的推桿行程設(shè)計是關(guān)鍵。第一副模具鍛造時的推桿行程為17 mm，第二副模具鍛造時的推桿行程為24 mm。

圖3 第一副鐓粗模具

圖4 第二副鐓粗成品

圖5 第二副鐓粗模具

2 有限元模擬及結(jié)果分析

2.1 第一次鐓粗分析

將上述設(shè)計好的有限元數(shù)值模型以stl格式導(dǎo)入Deform-3D軟件并完成前處理，第一次鐓粗時毛坯劃分的網(wǎng)格為80 000個，圖2中毛坯左端15 mm處設(shè)計固定，防止其發(fā)生轉(zhuǎn)動及竄動，毛坯的所有面設(shè)計為接觸面，推桿2設(shè)計為主模具，其推動毛坯向左運動，速度為8 mm/s[10]。模具的初始溫度設(shè)計為300 ℃，毛坯設(shè)計溫度為1 200 ℃，毛坯和模具之間的摩擦系數(shù)為0.3。第一次鐓粗前毛坯和空氣、毛坯和模具下型腔之間存在熱交換，實際毛坯模擬的溫度為11 850 ℃~1 190 ℃。圖6是第一次鐓粗載荷隨時間變化情況，隨著時間變化及毛坯與型腔接觸面積的增大載荷逐漸平穩(wěn)上升，在鍛造后期載荷迅速增加直至毛坯充滿型腔，最大載荷為400 kN，該載荷與計算結(jié)果基本一致。

圖2 第一副鐓粗半成品

圖6 第一次鐓粗分析時間、載荷圖

圖7 （a）為最終等效應(yīng)力圖，從圖7中可以看出在整個鐓粗過程中錐部的應(yīng)力應(yīng)變都比較小，而在鐓粗的后期及向圓角過渡的位置應(yīng)力開始變大，這主要是因為毛坯與模具的接觸面積發(fā)生改變，整個鐓粗過程中金屬流動情況較好。圖7（b）為等效應(yīng)變圖，等效應(yīng)變主要反映金屬的變形程度，整個變形區(qū)變形平緩，變形主要集中在向圓角過渡的位置，其值大概為0.66 mm/mm。

圖7 第一次鐓粗等效應(yīng)力、應(yīng)變圖

2.2 第二次鐓粗分析

將第一次模擬結(jié)束后的DB文件及KEY文件導(dǎo)入，并設(shè)計第一次鐓粗的最后一步最為第二次鐓粗的第一步，此時毛坯的溫度范圍在963 ℃~1 183 ℃，模具的初始溫度為300 ℃，兩者之間的摩擦系數(shù)為0.3。圖8為第二次鐓粗載荷隨時間變化情況，其變化規(guī)律同第一次鐓粗，最大載荷約為430 kN，該載荷與計算結(jié)果基本一致。

圖8 第二次鐓粗分析時間、載荷圖

圖9 為第二次鐓粗等效應(yīng)力、應(yīng)變圖，從圖9（a）中可以看出應(yīng)力主要集中開始在圓角位置和鐓粗后期的圓角位置，最大值在200 MPa左右；從圖9（b）中可以看出整個應(yīng)變變化平緩，在最后的階段由于材料有部分折疊，使應(yīng)變有所變化，該值在1 mm/mm左右，基本不影響成形效果。兩次鐓粗結(jié)束后將其放置到室溫中冷卻2 d~3 d，再進(jìn)行車削去除鍛造后產(chǎn)生的氧化皮及折疊等，以達(dá)到表面粗糙度和尺寸精度要求。

圖9 第二次鐓粗等效應(yīng)力、應(yīng)變圖

3 生產(chǎn)驗證

根據(jù)數(shù)值仿真數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果，設(shè)計兩副鐓粗模具并將其安裝在同一平鍛機上。其臺階部分的成形工序為下料—感應(yīng)加熱—連續(xù)兩次鐓粗，毛坯材料為45#鋼，感應(yīng)加熱溫度為1 180 ℃~1 200 ℃，模具的初始溫度不低于300 ℃，在整個成形的過程中溫度控制是重點，必須減少非必要的能量損失；為了保證質(zhì)量，提高效率，連續(xù)鐓粗的過程可以采用機械手臂進(jìn)行自動化操作，該方法有效提高了階梯軸類零件的加工效率，可降低成本，解決了車削加工余量大、浪費能源的問題。