随着汽车工业的迅速发展，汽车十字轴的成形工艺成为了锻造行业的一个重要课题。复动成形(闭塞锻造)技术是近年来迅速发展起来的一种精密锻造成形技术。该技术特点是先合模再利用冲头对模膛内的坯料进行挤压成形，通过合模力与挤压力使坯料处于具有良好塑性的三向压应力状态，可以一次成形复杂形状的零件。与传统锻造工艺相比，生产成本低尧尺寸精度高尧生产效率高尧材料利用率高[1]。温挤压成形技术是近年来在冷挤压塑性成形基础上发展起来的一种塑性成形新工艺。温挤压成形工艺具备挤压应力低尧容易成形且氧化尧脱碳的可能性小等特点，是一种高效尧优质尧低消耗的精密加工技术，可以制出形状比较复杂的零件，并且制成的零件有较好的表面质量及尺寸精度[2-3]。结合上述两种技术特点，本文采用闭塞锻造技术对十字轴进行温挤压成形加工，并对工艺设计尧成形过程尧模具设计等进行研究。
1、成形工艺分析
十字轴是典型的枝杈类锻件，图 1 所示为十字轴零件图。由图可见，十字轴中心为球台，适合水平分模，球台外围均布 4 个轴颈，完全对称，适合采用双向等速复动成形技术。零件的材料为 40Cr，其抗拉强度与屈服强度比相应的碳素钢高 20%，在常温下零件成形比较困难，尤其是零件的边角部分不易完整成形，采用温挤压成形技术可降低成形阻力，有利于零件一次精密成形。
2、成形工艺方案
2.1毛坯制备
根据挤压过程体积不变的原理，由零件尺寸计算毛坯的体积，考虑制备毛坯过程中的下料误差尧后续镦粗和加热等因素，实际毛坯体积需增加约 3%，通过计算所得毛坯体积V =4223mm3。用剪切模切一段准10mm的实心棒料，由于剪断所得的坯料端面比较粗糙，端面与中心轴线不能保持垂直，有一定的斜度，因此坯料在剪切后，需用镦平模将坯料端面压平后再进行挤压，最终获得坯料规格为准11.6mm伊40mm。
2.2表面处理及润滑
为了减小挤压时坯料与模壁的摩擦阻力，本文采用了水基石墨润滑剂(成分院石墨尧二硫化鉬尧滑石粉尧纤维素和水)，该润滑剂特点是院在中高温下不分解，热稳定性好，有良好的润滑性能，对模具有良好的隔热和冷却效果[4]。温挤压成形前将坯料作喷砂或抛丸等处理，清理锈迹尧污垢等。然后加热至200℃ 左右，出炉浸入水基石墨润滑剂中，快速捣匀，取出沥干，当坯料表面均布一层黑炭色的薄膜时，待坯料晾干即可进行加热尧挤压成形加工[5]。
2.3坯料加热成形
温度是温挤压工艺能否顺利进行的关键因素。40Cr 的温塑性变形温度通常在 600～800℃ 之间，高于 800℃时金属的氧化变得十分剧烈，生成的氧化皮对于模具的磨损尧工件的尺寸精度和表面粗糙度值都有很大的影响，而低于 600℃时金属的抗拉强度显著增大，金属的流动性不佳，不利于塑性成形。本文将温挤压温度定在 750℃依30℃，在这温度范围内 40Cr 的变形抗力约为常温下的 18%，而氧化极微。毛坯加热采用连续式中频感应加热炉，该炉加热速度快尧氧化烧损少尧热效率高尧炉温可控，易于实现自动化。加热过程中为使炉内温度均匀，加速热量传递，炉内带有强制空气循环装置[6-7]。
3、挤压过程的数值模拟及分析
本文在分析十字轴结构特点的基础上，基于Deform-3D 有限元模拟软件，建立温挤压成形工艺过程的有限元模型，分析了成形过程中材料的形状变化尧挤压应力尧模具载荷等结果从而优化设计方案，并据此设计出合理的模具，以达到减少工艺试验次数，降低生产成本的目的。
3.1几何模型建立及数值模拟参数设置
利用三维造型软件 CATIA 实现汽车万向节十字轴的参数化建模及模具的三维造型，然后输出STL 格式文件并导入有限元软件中建立有限元模型[8]。坯料的四面体单元网格总数约为 50000 个，材料为AISI-5140(40Cr)，多次模拟试验中，坯料的初始温度分别采用 720尧750尧780℃。凸模与凹模材料均设置为 4Cr5MoSiV1(AISI-H13)，它是一种热作模具钢，具有良好的热稳定性，高的疲劳抗力和良好的韧性，广泛用作温热挤压的模具材料。坯料与模具间的摩擦类型选用剪切摩擦，由于是温挤压，摩擦系数设为0.25，热传导率设为 8N/(s窑mm窑℃)。本文采用的是双向等速复动成形技术，上下凸模挤压速度均为 10mm/s，增量步时间设为 0.002s，模拟步数为 725 步。
3.2温挤压成形过程与载荷行程分析
通过多次数值模拟试验，不断调整参数尧改进三维造型模具，最终得到了符合设计的数字化锻件，其模拟成形效果如图 2 所示，整个成形过程的挤压力变化如图 3 所示。十字轴的温挤压成形过程主要分为四个阶段，每个成形阶段的特点为院①镦粗变形阶段院坯料在模具中受两端冲头同时挤压发生镦粗变形，镦粗的坯料填满了与凹模筒壁的间隙，金属与凹模大面积的接触产生了较大的摩擦力。同时，坯料中段的金属发生径向流动。如图 4(a)所示，当圆柱体坯料侧面部分鼓成较为完整的球体时此阶段结束。如图 3 所示，这个阶段挤压力增长较快，但数值不大。②轴肩成形阶段院随着冲头继续挤压，坯料侧面的金属流入轴颈腔内，但该部分金属没有与凹模接触，阻力较小，金属流动均匀且稳定。如图 4(b)所示，当金属基本充满大轴颈型腔形成四个轴肩时此阶段结束。如图 3 所示，这个阶段挤压力增长缓慢。③ 轴颈充填阶段院轴肩成形后，凸模继续将金属向小轴颈型腔挤入，大量金属与凹模壁接触，产生巨大的摩擦阻力，且小轴颈型腔口较小，金属流动阻力增大。如图 4(c)所示，当小轴颈型腔基本充满时此阶段结束。如图 3 所示，这个阶段挤压力迅速增大。④充满余腔阶段院如图 4(d)所示，凸模行程即将结束，此时的坯料对模具的张模力达到最大，且金属与模具的摩擦力达到最大，边角成形比较困难。在此阶段挤压力急剧上升，最终达到最大值。
3.3结果分析与优化
通过对模拟实验所获得的结果分析，对成形工艺方案提出以下几点补充与改进院(1) 十字轴温挤压温度由 初定的 750℃ 改为780℃，挤压力由 392kN 降为 364kN，成形阻力降低，金属流动性更好，成形效果更佳。(2) 在模具升温后，根据计算，4Cr5MoSiV1 的强度无法满足40Cr钢在温挤压过程中凸模的受力情况，所以凸模材料采用高速钢 W9Mo3Cr4V。凹模尧顶杆与压力板等承受的载荷较小，均可采用4Cr5MoSiV1，而上下模板可采用强度尧硬度更小的40Cr。(3) 由图 3 可见，载荷在成形过程中不断增加，因此凹模应设计成组合式结构，使其受力合理分布。在凹模加工时，在轴肩与筒壁连接处设计R1的过渡圆角，降低金属的流动阻力，减小对凹模的磨损，提高凹模的使用寿命。(4) 凸模的轴向承载力即为十字轴的成形挤压力，由图 3 所示，最大挤压力约为 364kN，实验室提供的型号为 THP32-315F 的 3150kN 四柱液压机可作为成形加工设备。液压机只需承担挤压力，张模力由模具的锁模机构承担。
4、模具设计与工作过程
本文设计的模具如图 5 所示，采用浮动的上凹模与浮动的下凹模对合结构，用钩子锁模。上下凹模工作部分均采用了组合式，模具闭模高度为 340mm，模具外形尺寸满足所选设备装模尺寸。模具工作的简要过程为院将坯料放在下凹模与下冲头形成沉孔内，坯料靠孔腔壁自然定位。上模随压力机滑块下行，下模的导柱导入浮动上模板上的导套，上凹模与下凹模对合，形成封闭模腔，同时钩子在小弹簧作用下向内转一个角度，钩住垫块，将上尧下凹模锁住。上模继续下行，带动下凹模尧浮动下模板和钩子一起向下浮动，大弹簧被压缩，上冲头将沉孔内的坯料挤入型腔。当上模达到下死点时，变形金属充满型腔，挤压结束。上模抬起，在开始阶段钩子尚未打开，浮动下模板尧下凹模和钩子随上模上浮，当钩子尾部被挡板挡住时，随着浮动下模板继续上浮，钩子被打开，上尧下凹模分开，浮动上模板和浮动下模板上升至各自的极限位置。十字轴留在上凹模或下凹模中，由上顶杆或下顶杆顶出。需要注意的是院温挤压前，需对凸模和凹模工作部分采用喷灯进行预热，预热温度约 300℃，温挤压过程中，模具温度将达到 500～600℃，连续工作时硬度急剧下降，可能导致加工过程不能继续，在温挤压过程中需采用喷雾装置将冷却液喷向凸凹模工作部分进行冷却，使温度降低。
5、结论
本文对汽车十字轴的成形加工采用了闭塞锻造温挤压成形工艺设计。结合有限元模拟对成形过程尧模具载荷等进行了分析研究，将成形工艺进行优化与补充，设计出了合理的模具，节约了生产成本，提高了生产效率，结果能为十字轴类零件的生产加工提供参考。
作者：施春宇 李旭东 单位：兰州理工大学材料科学与工程学院
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