汽车前桥空心短轴的热挤压成形工艺数值模拟研究

韦国强　　管延锦　　朱立华　　解振东　　孙德朋

（1.山东大学材料科学与工程学院，济南 250061；2.山东钢铁股份有限公司济南分公司，济南 250101）

汽车前桥空心短轴的热挤压成形工艺数值模拟研究

韦国强1管延锦1朱立华1解振东1孙德朋2

（1.山东大学材料科学与工程学院，济南 250061；2.山东钢铁股份有限公司济南分公司，济南 250101）

针对某汽车前桥短轴类零件成形制造中存在的生产效率和材料利用率低的问题，提出并设计了热挤压成形制造工艺。通过正交法设计多组参数条件进行数值模拟，实现了热挤压终成形工步的工艺参数优化，获得了最优的成形效果，达到了提高生产效率、材料利用率以及零件质量的目标。

空心短轴热挤压数值模拟优化

引言

汽车前桥空心短轴是汽车前桥转向系中的一个重要零件，其制造质量和精度直接影响汽车的转向精度、运动效率、使用寿命等。目前，我国大多数生产厂家采用的生产工艺为：采用棒料通过楔横轧成形出其外形特征，然后采用机加工加工内孔特征［1］。显然，该工艺具有以下缺点：（1）后续钻孔过程产生大量的废料，导致材料的利用率较低；（2）内径有阶梯和斜度，钻孔加工难度大，耗时长，生产效率低；（3）轧制过程轴向精度难以保证，加大了机加工的难度。

因此，提高生产效率和材料利用率是汽车前桥短轴零件成形制造中需要迫切解决的关键问题。本文针对某一型号的汽车前桥短轴类零件，提出并设计了热挤压成形制造工艺，并采用数值模拟和正交试验的方法，优化其成形工艺参数，从而为实际生产提供指导。

1空心短轴热挤压工艺的设计

1.1零件图的分析

该空心短轴选用低合金钢20CrMoH，具有较好的塑性和韧性，形状如图1所示，属于回转体零件，所需的挤压力较小，不容易引起模具过载。零件的最大与最小断面积之差较小，在挤压过程中不均匀变形的程度小，材料不容易破裂。零件中心通孔孔径较大，不易引起形状畸变，同时能够保证凸模具有足够的强度，不会因为成形反力的作用而损坏。

图1某汽车前桥短轴类零件简图

1.2锻件图的设计

该空心短轴阶梯较多，断面过渡较为突然，因此在锻件图中应该进行结构的优化。零件的大端处有一凹陷的阶梯，如图1所示1处，锻造成形过程中阻碍脱模，应将该部分进行填补，使其阶梯过渡更加平和。2所示为一连续阶梯，在挤压过程中，连续小阶梯处会产生较大的阻力阻碍金属流动，同时加剧对模具的磨损，采用直接填补的方法将2所示的小阶梯合并。3处所示为一倒角圆，该细节无法经过锻造成形，因此后期采用机加工成形。4处所示为一阶梯加锥面过渡，为了简化模具减小阻力，改为直接锥面过渡。5处所示为截面积差别不大的筒型，挤压无法成形，因此改为最大直径的直筒，一次挤压成型。同时，适量增加壁厚可以减少挤压过程中筒壁的变形［2］。最终设计的冷锻件图形状及结构如图2所示。

图2设计的冷锻件示意图

1.3成形方案的设计

该汽车前桥空心短轴是一种锻造比较大的零件，根据塑性成形的基本规则，设计成形方案如图3所示，由下料、加热、预挤压成形、冲连皮、热挤压终成形工步组成。

图3某汽车前桥空心短轴成形方案

2　终成形工艺参数优化

热挤压成形过程金属流动剧烈，模具磨损严重，尤其是成形过程受相关工艺参数的影响显著，如何实现工艺参数的优化是热挤压成形工艺设计的关键之一。基于有限元数值模拟的正交实验方法，可以有效实现工艺优化。

2.1有限元模型的建立

利用DEFORM软件模拟汽车前桥空心短轴成形工艺的求解第一步就是导入坯料和模具的几何模型，由于DEFORM没有CAD造型的工具，所以采用CAXA和UG先进行二维和三维造型，然后将数据转换成stl或igs格式导入DEFORM软件中，生成相应的CAE模型。

（1）材料参数设定。汽车前桥空心短轴材料为20CrMoH，是一种广泛采用的结构钢，加工制造和焊接性能良好。对照材料的各项性能参数，在DEFORM中可以近似将材料对应为AISI-4120［70-2200F（20-1200C）］，为各向同性变形体。模具材料为H13模具钢，将模具设置为刚性体。

（2）参数条件的设置。该空心短轴零件为典型的回转体零件，因此采用deform2D进行设置和模拟会大大减少运算量，节省时间。采用子午面进行模拟，因此要设置轴对称边界。对称边界设置零位移和绝热条件，对应方向设置节点速度为0，对于其他导热边界设置合适的换热系数［3］。在模拟的预处理阶段，要对坯料和模具进行网格划分，并且对如坯料温度、模具温度、凸模下行速度、压下量、步长等参数进行设置。所建立的有限元模型如图4所示。

图4空心短轴热挤压有限元模型

2.2正交试验

选取挤压温度、模具温度以及挤压速度为设计变量，以成形载荷最小为目标函数，设计3因素4水平的正交试验表，见表1。实验方案及实验结果见表2。

表1正交试验因素水平设计表

表2正交试验结果

通过正交试验的结果，计算F值来分析显著影响因素。F比是指因素水平改变引起的平均偏差平方和与误差的评价偏差平方和的比值，反映了各种因素对于实验结果的影响程度大小［4］。计算得F0.1=2.81，选取的区间范围内，挤压温度、模具温度、挤压速度分别对应的F比为2.947、0.034、0.019。因为挤压温度的F比大于F0.1，所以有90%的把握认为挤压温度对于试验结果有显著的影响，而其他两个因素则无明显影响。综合考虑，当挤压温度为1100℃，模具温度为300℃，挤压速度为30mm/s时，挤压成形载荷较小，同时可保证挤压件成形质量，获得最优的成形效果。

3.3优化工艺参数下的数值模拟分析

采用优化的挤压工艺参数，对该汽车前桥空心短轴的热挤压终成形进行了数值模拟分析。

（1）材料流速分析。图5给出了成形过程不同时刻的流速分布。在成形开始时，凸模接触坯料上表面，此时材料未发生明显变形，因此流速几乎为零。随着挤压过程的进行，材料逐渐向凹模出口处流动，横截面积不断减小，流速迅速增加。当材料从凹模挤出后，横截面积达到最小，该部分材料流速也达到最大，其余各部分基本保持现有流速到最终成型［5］。从整个变形过程来看，流速基本符合挤压过程的一般规律，整个变形过程比较稳定，可以保证良好的成形质量。

（2）应力应变分析。图6给出了成形过程不同时刻的等效应变分布。可以看出，挤压初期材料的应变较小，变形剧烈的区域主要集中在凹模型腔拐角处。随着挤压过程的继续进行，材料内外表面应变开始逐渐加大，凹模型腔拐角处的应变仍然较大，最大达到3.85。

图5成形过程不同时刻的流速分布

图6成形过程不同时刻的等效应变分布

图7成形过程不同时刻的等效应力分布

图7为成形过程不同时刻的等效应力分布。显然，随着挤压过程的进行，材料凸缘部分的等效应力在不断的增大，挤压结束时，凸缘处有轻微应力集中，最大为342MPa，处于合理的范围之内。材料从凹模挤出后变为自由端，应力变为0。

（3）载荷行程曲线分析。图8为模拟获得的载荷行程曲线。载荷随行程变化大致分为三个阶段：首先，在变形初期载荷缓慢增加；当模具和材料基本完全接触时，凸模继续下行，载荷急剧增加；最后，当材料开始从凹模挤出时，成形进入稳定变形阶段，载荷基本保持稳定［6］，热挤压成形力为3640kN。

图8载荷行程曲线

4结论

（1）针对某汽车前桥短轴类零件，提出并设计了热挤压成形制造工艺，由下料、加热、预挤压成形、冲连皮和热挤压终成形工步组成，达到了提高生产效率、材料利用率以及零件质量的目标。

（2）采用数值模拟和正交试验的方法，实现了热挤压终成形工步的工艺参数优化，当挤压温度为1100℃，模具温度为300℃，挤压速度为30mm/s时，挤压成形载荷较小，同时可保证挤压件成形质量，获得最优的成形效果。

［1］薛菲菲，隋健，李培力.金属挤压加工技术综述［J］.科技资讯，2007，04：79-80.

［2］林大庆.金属挤压加工技术探讨 ［J］.中国新技术新产品，2013，10：165.

［3］陈文琳，朱玉生，聂会星等.半轴套管热挤压成形工艺数值模拟［J］.农业机械学报，2007，38（11）.

［4］王杨.直齿圆柱齿轮挤压成形工艺分析及优化［D］.山东：山东大学硕士学位论文，2014.

［5］刘长红，程俊伟，冯宪章.拉杆热挤压成形分析及数值模拟［J］.热加工工艺，2011，40（15）.

［6］陈昆，张博，陈定方等.钢管热挤压中的挤压力研究［J］.装备制造技术，2008，（3）.

StudyonNumericalSimulationofHotExtrusion Process of Automobile's Hollow Front Axle

WEIGuoqiang1，GUANYanjin1，ZHULihua1，XIEZhendong1，SUN Depeng2
（1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2.Jinan Branch of Shandong Iron and Steel Company Ltd.，Jinan 250101，China）

A hot extrusion process was proposed to improve the productivityandthematerialutilizationinthemanufactureof automobile's hollow front axle.Numerical simulations under various conditions designed by the orthogonal method were done to optimize parameters of the final step of hot extrusion process.Finally the productionefficiency，materialutilizationandproductqualitywere improved and the optimal shaping quality was achieved.

hollow front axle，hot extrusion，numerical simulation，optimization