半轴套管法兰预锻热挤压成形过程中凸模磨损规律研究

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摘要：文章主要应用DEFORM-3D有限元软件对半轴套管法兰预锻热挤压成形过程进行数值模拟分析，分析凸模在热挤压过程中各阶段工艺参数对磨损量的影响规律，从而得到优化的凸模工艺参数。得到的研究结果能够用来指导工艺实践，从而提高模具的寿命和产品质量。

关键词：半轴套管法兰；有限元分析；磨损

中图分类号：U463.218+.6 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2013）-01-0190-2

0 引言

半轴套管是汽车上一个重要的零部件，且工作的时候，承载着多种复杂的交变应力。而半轴套管成形工艺一直是汽车锻造业的难题之一[1]。模具磨损是影响寿命和产品质量的关键因素，尤其在高温时模具磨损而失效的情况超过70%。因此，在热挤压过程中，如何减少磨损、避免局部磨损过大是目前的一个难点问题[2]。热挤压的过程中，能够建立很好的成形工艺参数与模具磨损量的关系，就能够更好的指导模具设计和生产，这样能提高模具的使用寿命[3]。本文就是采用DEFORM-3D数值模拟技术的方法对半轴套管法兰挤压凸模成形过程中的磨损状况进行模拟及分析，通过数值模拟结果从而得到可降低模具磨损量的工艺参数。研究了模具初始温度与硬度、模具下压速度条件对磨损量的影响规律.

1 半轴套管法兰模拟过程中参数设定

我们采用Deform-3d软件基于热力耦合刚粘塑性有限元技术，将坯料视为刚粘塑性体，将上凸模和下凹模模具视为刚性体。利用solidworks三维软件造型获得模具的结构和初始坯料的三维几何模型，之后导入到DEFORM-3D前处理模块中。坯料材料为45号钢，坯料加热温度我们选用2000℃，材料模型为刚粘塑性流动应力模型 = （ ，T），这里的模具材料为H13，模具硬度HRC为46，初始温度300℃；外界环境温度为20℃，摩擦模型采用塑性剪切摩擦，摩擦系数为0.12，热传导系数为0.004，凸模的运行速度为10mm/s。坯料的网格划分为100000，凹凸模的网格划分别为50000.我们采用Archard磨损模型预测模具在成形过程中的磨损量，其表达式为式中， 为磨损深度；P为模具表面正压力；v为滑动速度；a，b，c为标准常数，a，b取1，c取2.K为与材料特性相关的常数，k为2×10-5；H为模具初始硬度（HRC）。

2 半轴套管模具磨损影响分析

2.1 半轴套管法兰凸模初始硬度对磨损量的影响

图2是同为凸模下压52mm所示半轴套管法兰模具不同初始硬度下的表面磨损分布情况。当其他数值模拟参数不变，硬度变化时的模拟情况。图2当初始硬度提高到HRC46（表面处理后）时，最大磨损量为0.0000400。而初始硬度为75时，最大的磨损量为0.0000146。经过大量的模拟不同硬度的实验（如图3）可以看出其磨损能力情况。通常情况下，材料的强度越高则韧性越低，所以对于我们选择一个最佳的硬度范围以达到最优的强韧性搭配是提高模具耐磨能力的关键点。

2.2 半轴套管法兰初始速度对磨损量的影响

图4是同为凸模下压52mm所示半轴套管法兰凸模不同初始速度下的表面磨损分布情况。当其他数值模拟参数不变，我们选取图4中5mm/s和30mm/s速度变化时的模拟情况如下面所示。当速度提高到30mm/s时，与5mm/s相比较磨损量非常大。经过大量选取不同速度的模拟实验（如图5）关系，可以看出凸模下压速度太快会影响模具寿命，太慢对生产效率很有影响，所以选择适当速度尤为重要。

2.3 半轴套管法兰初始温度对磨损量的影响

图6是同为凸模下压52mm所示半轴套管法兰凸模不同初始温度下的表面磨损分布情况。当其他数值模拟参数不变，不同初始温度下模具表面的磨损变化时的模拟情况如下面所示。我们首先选取了图6中150℃、350℃和400℃等一系列不同温度进行数值模拟分析。不同的温度得出了不同的半轴套管法兰凸模最大磨损情况。

经过大量的不同温度模拟实验，如图6及图7可以看出，开始的阶段模具的温度较低，在没有完全达到模具的预热温度时，模具容易产生脆性断裂失效。经过分析选择凸模模具最佳预热温度应为300℃左右。

3 结论

本文应用DEFORM-3D软件对半轴套管法兰预锻热挤压过程中模具磨损过程进行了有限元模拟分析，得出工艺参数对模具磨损的影响规律，以及速度、温度和材料硬度的多少等对成形效果的影响。模具的初始硬度要是越高，其抗磨损的能力越强。选用热稳定性高的金属材料或对模具进行表面强化处理是防止模具磨损最有效的方法。而在挤压过程中，温度对磨损的影响较为复杂，一个是模具表层会软化，另一个是模具表层会形成氧化膜。预热温度升高会造成模具表层软化，所以要选择好预热温度，热挤压过程中，下压速度的快慢，影响着成形效果及模具磨损量的多少，所以要选择合适的下压速度。通过DEFORM-3D模拟软件的模拟分析，大大降低了模具开发成本，缩短了模具设计周期，提高了生产效率。

作者简介：（1986-），男，吉林辽源人，就职于长春理工大学机电学院；吴淑芳（ 1964-），女，长春理工大学机械设计制造及自动化系教授。