基于数值模拟的动力输出轴锻件坯料优化

徐 辉，徐学春

(上海交通大学模具CAD国家工程研究中心，上海模具技术研究所有限公司，上海 200135)

0 引言

动力输出轴是动力机械装置传递扭矩输出动力的关键部件之一，在机械设备工作中承受着复杂的交变扭矩和弯曲应力，因此常常出现疲劳裂纹和断裂现象，进而导致设备故障和零件失效[1]。因此，动力输出轴需要更高的力学强度和机械性能。

有限元模拟(FEA)塑性成型的原理是利用某种类型的单元将连续的变形体进行离散，同时将整个变形过程分为若干时间加载步长。通过计算每一加载步上各节点和单元的物理场，来分析变形体在模具型腔内的流动行为及各种热学、力学场量的变化规律，为模具设计和实际加工提供依据[2]。随着有限元理论的不断完善和数值仿真技术的日趋成熟，使得数值模拟技术在锻造成型工艺及模具设计领域得到了广泛应用，并已经成为评判工艺成型性的重要手段[3]。采用FEA不仅可以很好地描述金属在成型过程中的流动情况、锻件内各质点的流动规律，还能定量计算出金属变形区的应力、应变和温度分布状态，预测成型缺陷的产生，进而可以对整体锻造工艺进行仿真和优化，改进模具结构和相应工艺参数，从而有效地提高产品质量，降低生产成本[4-5]。

1 实验材料与方案

某汽车零部件生产厂商为某型号重卡生产的动力输出轴零件如图1所示，材质为40CrMoV5，化学成分详见表1。产品图样要求： 锻件表面无氧化皮存在，不允许有夹层、折叠、裂纹、过烧、过热等缺陷；锻件金属纤维流线应沿轴向分布；锻件等温正火硬度179～219(同件不同部位硬度≤5 HB；同一批不同实件硬度≤15 HB)。该构件为动力输出的关键零部件，在车辆运行过程中传递较大的交变扭矩，特别是传递扭矩的零件顶端的端齿，其刚度、强度和疲劳寿命等机械性能的可靠性尤为重要。为保证零件的机械性能可靠性，采用锻造工艺对坯料进行成型加工，并在终锻工艺完成后，按图1(a)的方式对零件表面进行切削，同时检查零件是否存在夹层、裂纹和折叠等缺陷。产品成型工艺路线具体为： 下料→预制坯→终锻成型→热处理(正火)→机加工，而本文主要针对预制的终锻成型工艺进行研究。研究采用FORGE NXT锻压成型数值模拟软件对输出轴成型工艺进行仿真分析，获取其金属流动规律、应力应变关系，然后确定影响成型工艺参数，优化坯料的结构模形，最终提高产品良品率。

(a) 零件机加工轮廓

(b) 零件3维结构图1 输出轴结构(单位： mm)

表1 输出轴的化学成分(质量分数)

2 数值模拟

根据终锻产品的零件结构，预估型腔内金属流动趋势，本文设计了甲、乙两种结构的预锻坯料，在阶梯处加大倒角设计，利于成型过程中金属流动，减小残余应力。坯料乙比坯料甲在预制结构上更接近终锻产品。将两者的3D模型导入FORGE软件中，并按照相同规格对两种预制坯料进行网格划分，网格划分后的模型如图2所示。网格划分采用FORGE软件自带的3A网格划分技术，即自动划分、自动加密、自适应网格。网格单元为四面体，网格尺寸为1.5 mm。坯料甲共划分35 565个节点，197 118个单元；坯料乙共划分36 405个节点，202 064个单元。然后按照表2的参数定义边界条件，坯料温度为1 100℃，模具材质为模具钢，预热温度为250℃。

(a) 预制坯料甲

(b) 预制坯料乙图2 预制坯料

表2 边界条件参数

3 模拟结果与分析

图3是两种坯料形式终锻过程中的金属填充仿真效果，坯料甲的填充演化如图3(a)所示，坯料甲在0.52 s时开始对端齿进行填充，填充过程中在端齿两侧区域出现明显的热开裂缺陷(图中已标识)，但随着填充持续，端齿两侧的裂缝逐渐闭合。坯料乙的填充演化如图3(b)所示，由于坯料乙结构设计更接近终锻零件结构，成型速度更快，端齿两侧在成型过程中没有出现坯料甲中出现的开裂缺陷。因此，乙方案的锻造填充性能更为优异。

(a) 坯料甲填充演变

(b) 坯料乙填充演变图3 锻件填充演变

图4和图5分别为零件终锻后的温度分布和应变分布。由图4和图5可知： 零件在锻造过程中，端齿和飞边区域会发生较为显著的变形不均，并产生更大的等效应变，而与之相伴的塑性功转化为热量。有研究表明： 塑性应变越大，通过导热、对流等热传递方式散失的热量越少。两因素叠加导致该区域温度升高，产生热塑性效应[6-8]。由于更高的温度和更大的塑性应变会诱导更为显著的组织演化，可预见端齿和飞边区域的温度场和应变场的极度不均匀性将导致更为显著的组织不均匀，进而影响零件整体的力学性能。

(a) 坯料甲温度场

(b) 坯料乙温度场图4 温度场

(a) 坯料甲等效应变

(b) 坯料乙等效应变图5 等效应变

对比甲、乙两种方案，可发现甲方案会导致更高的锻造温度和更大的塑性应变，即其温度场和应变场存在更为显著的不均匀性，将弱化零件的组织均匀性。因此，从零件性能均匀性角度出发，乙方案更优。

动力输出轴属于传动轴，其主要功能是传递扭矩，输出动力，工况恶劣。传动轴主要失效形式为疲劳断裂，因此对产品质量要求非常严格，特别是开裂、折叠、填充不足等缺陷需重点关注[5]。图6为甲、乙两种预制坯料的折叠缺陷预测图。图中采用红色表示折叠缺陷。对比图6(a)， 6(b)，可观察到两者折叠分布区域类似，主要分布在大变形区域，如端齿表面和两侧，飞边，内凹槽底部，轴下端阶梯处，特别是在飞边处和端齿表面大量集中，基本和图5中的等效应变分布区域相同。但由于图6所示的折叠缺陷主要集中在零件表面，后续机加切削可将大部分折叠缺陷切除。

(a) 坯料甲折叠缺陷

(b) 坯料乙折叠缺陷图6 折叠缺陷

产品模锻时，应力求使金属按照同一方向沿模锻件外形流动，避免金属的流向交叉、对流、急剧弯折和形成漩涡。必须使模锻件的纤维组织分布合理，使锻件工作时所受压力与纤维组织方向垂直，拉力顺着纤维组织方向[9-10]。这样才能保证其组织均匀和力学性能好。图7(a)和7(b)分别为甲、乙两种坯料各自终锻后的金属流线图，两者流线分布大致相同，特别是端齿处流线密集，分布均匀且合理，且与所使用载荷力方向垂直，具有较好的力学性能。然而，甲方案[图7(a)]出现了一些流线折弯和分布不合理现象。而乙方案[图7(b)]却显示出更为合理的流线分布，因此从流线的角度，乙方案更优。

(a) 预制坯料甲金属流线图

(b) 预制坯料乙金属流线图图7 金属流线

4 实验验证

根据甲、乙两种预制坯料的数值模拟结果，选择较优的预制坯料乙作为实验方案，按照数值模拟的边界条件设计产品终锻工艺参数，车间试模生产预制坯料乙，然后进行终锻实验。成功得到了如图8所示的热锻件。从锻件的几何形状来看，工艺实验所得锻件与热锻模拟结果两者一致。根据预制坯料乙的数值模拟分析，折叠、开裂等缺陷主要集中在端齿两侧、端面和环侧面。对这些区域进行机加工切削检测，未发现存在相关缺陷，产品符合质量要求，印证了数值模拟的准确性，避免了产品缺陷。

(a) 环侧面机加工切削检测样品

(b) 端面机加切削检测样品图8 实验生产零件

5 结论

(1) 设计了两种预制坯料结构，并利用FORGE软件建立了有限元模型，模拟了动力输出轴的终锻成型过程，分析了成型过程中的温度场、等效应变场、材料流动情况等变化规律。

(2) 通过对比分析两种模拟结果，选择预制坯料乙作为实际生产的工艺方案。成功试制出输出轴锻件，锻件形状满足设计要求，无折叠、填充不足等缺陷，证明了预锻方案乙的可行性。