基于DEFORM_3D的汽车转向器输入轴锻造成形研究_刘百宣

到了快速发展。同时，现代计算机模拟技术的发展也 为开发新的锻造工艺提供了很好的研究手段，通过计 算机的数字模拟可以代替以前靠实际试验才能获得 的变形规律和技术参数，使研究开发成本大大降低。
图 1 所示为某型号汽车转向器输入轴的零件简 图，这种零件现在主要靠机械加工方法获得，但机械 加工费工费料，成本居高不下，如何更加有效地实现 其成形加工，已成为各厂家探讨的方法。本文从其锻
全充满型腔， 且从中可以看出
在成形过程中压力吨位不是很 大， 其最终成形压力 75.20000 N， 单 位 压 力 合 380 MPa， 远 低
图 2 镦粗成形 有限元模型
Fig.2 FE model of upsetting forming
于一般热作模具材料强度极限，
且在随后的成形实验中得到验证。 由此可见方案一
5
图 3 为 Deform-3D 数 值
模拟结果， 图 4 为模拟过程的
压力曲线，从中可以看出：方案
一中镦粗终了时， 坯料未能将
型腔完全充满， 但压力已高达
4890000N，单位压力已达 2450
MPa， 超过或达到一般冷作模
具材料的强度极限；方案二中，
模拟过程各阶段没有产生折
叠、弯曲和失稳等缺陷，最终完
LIU Baixuan, SUN Hongxing, LIU Hua, WANG Weiqin, LIU Dan
(Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering, Zhengzhou 450001, China)
Abstract： Based on the shape of automotive steering input shaft, by analyzing process, the difficulty site of machining parts was pointed out, and the forging process was analyzed to replace the mechanical cutting process, reduce production costs. In line with the simple and practical principle, two schemes, a cold forming process and a combination of cold & hot forming process, were developed; and through the Deform-3D, the two forging processes were simulated and analyzed; finally, from two aspects, the filling state of billet and the size of forming force, the combination scheme of cold & hot forging technology was selected; and based on the selected scheme, the input shaft forgings were successfully formed. successfully forging a qualified input shaft forgings. So a new production process is obtained for the industrial production of the input shafts.
3 试验研究
毛坯材料 40Cr，采用 860℃保温 4h 完全退火工 艺进行软化处理[7]，退火硬度 160～170 HB,去氧化皮 后，使用高分子润滑剂进行表面润滑处理；试验用 63 吨四柱油压机进行冷缩径(制坯)和冷精整，在 315 吨 四柱油压机进行热镦粗工序；在模具制造方面,制坯 和冷 精整工序模 具材料采 用冷锻 模 具 钢 Cr12MoV 制作，淬火硬度选择 58～60HRC。 热镦粗工序工作模 具采用热作模具钢 H13 制作， 淬火硬度选择 50～54 HRC，并在外层加装一层应力圈，材料采用 40Cr，并 进行调质处理,处理硬度 38～42HRC。 同时根据压机 及模架结构设计制作相应的固定及顶出装置。
[3] Lee S W,Yang D Y．An assessment of numerical parameters influencing springback in explicit finite element analysis of sheet metal forming process [J]．journal of materials processing technology， 1998，(80-81)：60-67.
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7 27
A 108
图 1 某型号输入轴零件简图 Fig.1 Sketch drawing of a input shaft
《热加工工艺》 2012 年第 41 卷第 09 期
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金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2012 年 05 月
造成形工艺方面进行探讨。
1 零件的工艺分析
摘 要： 根据汽车转向器输入轴的形状，进行工艺性分析，指出零件加工的难点部位，并进行锻造工艺性分析，以
取代现在的机械切削加工工艺，降低生产成本。 本着简单实用的原则，制定了冷成形和冷热结合成形两套工艺方案，并
通过 Deform-3D 对两种锻造工艺方案进行模拟分析，最终从坯料充满程度和成形力大小两方面，选定冷热结合的锻造
上半月出版
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
5139678 (a) 冷镦粗 4111743
3083807
(4.10,485877
1027936
0.000 0.86
789206 (b) 热镦粗 631365
1.72 2.58 3.44 4.30 时间 / s
2 工艺方案分析及数值模拟
2.1 工艺方案分析 零件成形方案的选择需要考虑锻造工序的衔接
性、经济性是否适合大批量工业生产。应本着简单合 理的原则，但同时也要考虑到成形的难易程度，如通 过简单机械加工能够实现成形的地方， 为了减少锻 造工序，节约总成本，可不锻出，另外模具结构应尽 量简单， 这样可大大提高模具寿命及锻造生产的稳 定性。
从零件形状可以看出，输入轴断面尺寸成阶梯轴 式分布，且中间大两头小。 若不考虑最大圆(准43 mm) 处的两缺口，仅锻出其阶梯轴外形，再通过机械加工 的方法加工出两缺口，则很适合锻造，且工艺简单， 也能达到节约材料的目的。 但从零件的工艺性进行 分析可知，零件成形的关键部位是最 大圆(准43 mm) 处的两缺口。从外形来看并不复杂，但缺口的两直边 成 14°夹角， 且缺口底部为直径 准30 mm 的圆弧，要 想完整加工出来， 必须依靠特殊的工装用铣削加工 成形，则费工费刀具，如果用加工中心机床加工，零 件生产成本更高昂。 总之， 若能采用锻造成形的方 法，实现两缺口的精确成形，减少或取代两缺口的机 械加工，就能有效降低零件的生产成本。
本着以上原则，考虑到成形的难易程度，以及成 形后的零件精度，本文制定两种锻造成形工艺方案。 方案一是冷锻成形，具体为：下料→退火→表面处理 (去氧化皮、润滑)→冷缩径(制坯)→冷镦粗成形→去 飞边；方案二是冷热结合成形，具体为：下料→退火 →表面处理(去氧化皮、润滑)→冷缩径(制坯)→热镦 粗成形→去飞边→润滑→冷精整[1-3]。 其中方案一工 艺过程较方案二简单，但冷镦粗成形力较大，且金属 流动性差。方案二中热镦粗成形所需成形力较小，金 属流动性好，但成形出的缺口形状尺寸精度不高，需 要预留少量余量，进行冷精整达到尺寸要求。两个方 案中坯料下料尺寸、缩径(制坯)形状尺寸、镦粗锻件 形状及去飞边后的锻件形状均相同。 2.2 数值模拟
从上述工艺方案的叙述中可知， 零件的锻造成 形关键工序为镦粗成形工序，而冷缩径(制坯)以及
方案二的冷精整工艺内容较简单。 故只需对其中镦
粗工序进行 Deform-3D 数值模拟， 并分析其结果，
便可得出所需结论。
首先，采用 SolidWorks2008 建立 3D 模型。 然后 利用 Deform-3D V5.0 进行模拟分析，设模拟步数预 设为 50 步， 每 2 步数据保存一次， 挤压行程为 22.5 mm，故每步长为 0.45 mm，其余模拟参数见表 1。 其 有限元模型见图 2。
成形工艺方案，并根据选定成形方案对输入轴进行实际锻造试验，成功锻制出合格锻件，为输入轴的工业生产提供了一
套新的生产工艺。
关键词： 输入轴；冷热结合；数值模拟；试验
中 图 分 类 号 ：TG316
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2012)09-0129-03
Research on Forging Process for Automotive Steering Input Shaft Based on DEFORM-3D
(10.3,725000)
压力 / N
473524
315683
157841
0.000
2.16 4.32 6.48 8.64 10.8 时间 / s
图 4 镦粗模拟压力曲线 Fig.4 Simulation load curves of upsetting
具的承受范围之内， 故而采用方案二作为输入轴的 锻造试验成形工艺方案 。 [4-6]
A
A-A
准30
R0.5
准28 准24 准18
准43 18±0.1 14°±10′
收 稿 日 期 ：2011-10-22 作者简介：刘百宣(1973- )，男,河南杞县人，高级工程师，学士，主要从
事 冷 热 精 锻 工 艺 研 究 开 发 ；电 话 ：13939002271； E-mail:Liubx@