０前言等速万向节外套是轿车重要传动部件，是国家“九五”期间重点支持开发的轿车关键零部件之 一。由于锻件内脏形状复杂，热锻后的机械加工需投人高效、高精度的机加工生产线，耗费工时， 成本高，制约了大批量生产的需求。采用温冷联合锻造工艺生产的毛坯，内沟道只需留单面０．３ ｍｍ的磨削余量，尺寸精度很高。这也是当前先进工业国家生产等速万向节外套所用新工艺的发展 趋向。锻件内腔呈球面形状，需通过缩径工序实现。缩径前预成形件的形状尺寸是缩径成形的关键 。采用有限元和试验相结合的方法设计预成形件，可极大地降低研究成本，缩短研究时间，确保缩 径完好成形。ｌ等速万向节多工位冷温锻工艺概述等速万向节外套锻件形状复杂，精度、强度要求 高，属典型的少无切削成形锻件。其冷温锻工艺可分为正挤杆部、缴挤头部、反挤内腔、冷校形及 缩径５道工序。前３道工序采用温锻方法成形，在冷温锻领域内属一般成形问题。后２道工序采用 冷锻方法成形，其中缩径工序属特殊成形问题。本文主要讨论缩径成形的有限元模拟。
有限元计算 外套预成形件模型图如图１所示。２建立有限元计算模型实际上等速万向节外套是非轴对称件，需 将它转化成二维问题。为此提出如下简化：（１）按照等效体积转化原则，将外套转化成轴对称件 。（２）考虑应变硬化，将材料看作刚一粘塑性。锻件材料为德国钢种Ｃｆ５３，缩径时处于球化 退火状态，经试验计算，其应变硬化曲线方程为式中ａ——应力。——应变计算时将模具和预成形 件做整体系统分析。计算模型采用四边形网格，在边界四边形不易处理的地方采用三角形网格来补 充。计算时按冷成形处理，不考虑温度的变化和影响。３冷缩径变形的理论分析采用充满系数Ｒ来 判别式中Ｖ（ａ）——固定ｈ、Ｄ并改变ａ时的体积Ｖ（ｈ）——固定ａ、Ｄ并改变ｈ时的体积Ｖ （Ｄ）——固定ａ、ｈ并改变Ｄ时的体积Ｖ——刚好完好成形时锻件的体积当Ｒ＞ｌ，表明缩径完 好，能够贴合；当Ｒ＜１，表明缩径变形结束，不能贴合。４影响冷缩径成形的预成形件参数的分 析对以上３个参数进行的分析中，固定其中两个参数，改变另一个参数，并做出这个参数与充满系 数Ｒ之间的关系曲线图。（ｌ）缩径角以变形网格图略）当取ｈ＝２１．５ｎｕｎ，Ｄ二９８．５ ｎｕｎ时，ａ分别变化如下：ａ＝１０”、１１”、１２”、１４”、１６”、１８”。当ａ＝１ ４”时，金属已经基本完全充满；当ａ＞１４”时金属能够充满；而当ａ＜１４”时则不能充满。 以ａ二１４”时的体积Ｖ为标准，作出ａ－Ｒ曲线图如图２所示。（２）缩径高度ｈ（变形网格图 略）固定ａ＝１４ｏ。Ｄ＝ＺＩ．５ｍｍ，改变高度ｈ的值，ｈ分别取：ｈ＝１９．５ｍｍ、２０ ｒｕｍ、２０．５ｒｕｍ、ＺＩｒｕｍ。ＺＩ．５ｎｕｎ、２２ｒｎｍｏ当ｈ＝ＺＩ．５ｒｕｍ时 ，充填情况最好。即当ｈ３２１．５ｒｕｍ时，能够充满；而当ｈ＜２１．５ｒｕｍ时，不能充满 。ｈ－Ｒ曲线如图３所示。在实际计算时发现：当ｈ值取得太大时，反而不易贴合。分析表明：缩 径变形时，头部金属先沿径向流动。ｈ太大时，顶端的金属先接触到凸模，继续变形时，头部底端 的金属反而不易接触到凸模，在凸模和预成形件间形成空隙。因此ｈ不可以取得太大。（３）缩径 外径Ｄ（变形网格图略）固定ａ＝１４ｏ、ｈ＝ＺＩ．５ｍｍ，改变Ｄ的值，分别取：Ｄ＝９６． ５ｎｕｎ、９７ｍｍ、９７．５ｎｕｎ、９８ｎｕｎ、９８．５ｎｕｎ。９９ｎｕｎｏ当Ｄ＝９８ ．５ｒｕｍ时，成形情况完好。即当Ｄ３９８．５ｒｒｕｎ时，可以充满；而当Ｄ＜９８．５ｒｕ ｍ时，不能充满。图４是Ｄ－Ｒ曲线图。最终优选尺寸为：ａ＝１４ｏ、ｈ＝ＺＩ．５ｍｍ、Ｄ＝ ９８．５１ｌｌｌｌｌＯ５预成形件有限元计算结果分析取优选尺寸时预成形件各阶段变形网格图 如图５所示。结果分析如下：当压下量为２５％时，预成形件变形还不大；随着凸模继续下压，预 成形件头部主要沿径ｌ。流动，轴向流动很小，压下量达到５０％时，预成形件内腔和凸模已基本 贴合；继续变形时，预成形件开始主要沿轴向变形，同时使预成形件内腔和凸模贴合饱满，当压下 量达到叨％时，轴向流动也基本结束。由于预成形件和凹模间存在摩擦，预成形件外表面金属流动 滞后于内表面，造成预成形件端面不平整。变形终了时在预成形件外表面上端处形成塌陷。６工艺 试验试验结果表明：试件５的缩径效果最好，球道成形饱满，尺寸精度较高，球道及内球面表面光 洁度较好。即预成形件缩径部分尺寸最佳为：缩径角度ａ二１４”，缩径高度ｈ＝２２ｍｍ，缩径 外径Ｄ＝９７ｎｕｎ。其余几件效果不是很好，表现在：端部径向流动不大，而主要沿轴向流动， 造成端部没有形成球面。外套样件尺寸规格如表１所示。对比试验结果和有限元计算结果，分析如 下。门）缩径角计算结果和试验结果一致。当ａ取较小值时，虽然坯料易于沿径向流动，但此时预 成形件和凹模的接触面长，摩擦力大；而当ａ取较大值时，预成形件和四模的接触面短，摩擦力小 ，但坯料易于沿轴向流动，不利于缩径成形。当ａ＝１４“时，两者综合作用的结果最有利于缩径 成形。（２）试验表明：缩径高度不能过大，否则缩径时端部易于碰到凸模，不仅造成挤压力过大 ，而且头部顶端先碰到凸模后，下端不易径向移动，在下端和凸模之间易于形成缝隙，造成缩径效 果不好。这和取较大高度时有限元计算的结果非常相像。（３）外径计算结果比试验结果大ｌｔｎ ｍ，这是因为有限元计算时将预成形件简化成轴对称件，致使头部料的体积比实际偏大。试验表明 ：外径尺寸不能过小，否则料的体积较小，缩径时材料径向移动量少，缩径结果不好。图６是缩径 完好的试件５的照片。７等速万向节外套预成形件优选尺寸的普遍设计除桑塔纳车的ＢＪ型等速万 向节外套外，本文还收集了捷达、富康和夏利车的外套。本文用有限元方法算出当头部尺寸参数ａ 、ｈ、Ｄ取何值时，各种车的外套成形情况最好。并作出了这三个参数和等速万向节外套预成形件 头部内径ｄ（对桑塔纳车的ＢＪ型等速万向节外套为６６．３ｍｍ处）之间的关系曲线图。８结论 本文用有限元方法设计了等速万向节外套缩径前预成形件的形状及尺寸，得出如下结论。门）变形 主要集中在预成形件头部，变形程度不大。（２）外套预成形件优化尺寸值为：ａ＝１４”、ｈ二 ＺＩ．５、Ｄ＝９８．５ｏ（３）作出了。、ｈ、Ｄ与充满系数Ｒ之间的关系曲线图。（４）分析 了试验结果和有限元计算结果之间的异同。（５）作出了不同车型等速万向节外套的ａ、ｈ、Ｄ参 数与坯料头部内径ｄ之间的关系曲线图。用有限元方法设计BJ型等速万向节外套预成形件@孙长 杰$北京机电研究所!北京１０００８３@李社钊$北京机电研究所!北京１０００８３@王秉义 $北京机电研究所!北京１０００８３等速万向节外套;;
有限元方法;;多工位冷温锻;;预成形件用有限元方法优选等速万向节外套缩径工序的预成形件的形状和尺寸，并给出了预成形件的变形过程图。用工艺试验验证了有限元计算结果的正确性。同时作出了不同车型外套的预成形件关键尺寸参考曲线。1Betzalel AvitZUr. Metal Forming: Processes and Analysis. NewYork: McGraw-Hill Book Company, 1978
2 Kurt Lange. Handbook of Metal Forming. Dearborn: Society ofMantheturing Engineers, 1985
3 Zienkiewicz O C. The Finite Element Methed (Third Edihon).New York: MxGRAW-hlir Book Company, 1997
4上海交通大学《冷挤压技术》编写组冷挤压技术.上海: 上海人民出版社,1976
5 郭仲衡.非线形弹性理论.北京:科学出版社,1980国家“九五”攻关资金ａ＝１４“时，两者 综合作用的结果最有利于缩径成形。（２）试验表明：缩径高度不能过大，否则缩径时端部易于碰 到凸模，不仅造成挤压力过大，而且头部顶端先碰到凸模后，下端不易径向移动，在下端和凸模之 间易于形成缝隙，造成缩径效果不好。这和取较大高度时有限元计算的结果非常相像。（３）外径 计算结果比试验结果大ｌｔｎｍ，这是因为有限元计算时将预成形件简化成轴对称件，致使头部料 的体积比实际偏大。试验表明：外径尺寸不能过小，否则料的体积较小，缩径时材料径向移动量少 ，缩径结果不好。图６是缩径完好的试件５的照片。７等速万向节外套预成形件优选尺寸的普遍设 计除桑塔纳车的ＢＪ型等速万向节外套外，本文还收集了捷达、富康和夏利车的外套。本文用有限 元方法算出当头部尺寸参数ａ、ｈ、Ｄ取何值时，各种车的外套成形情况最好。并作出了这三个参 数和等速万向节外套预成形件头部内径ｄ（对桑塔纳车的ＢＪ型等速万向节外套为６６．３ｍｍ处 ）之间的关系曲线图。８结论本文用有限元方法设计了等速万向节外套缩径前预成形件的形状及尺 寸，得出如下结论。门）变形主要集中在预成形件头部，变形程度不大。（２）外套预成形件优化 尺寸值为：ａ＝１４”、ｈ二ＺＩ．５、Ｄ＝９８．５ｏ（３）作出了。、ｈ、Ｄ与充满系数Ｒ之 间的关系曲线图。（４）分析了试验结果和有限元计算结果之间的异同。（５）作出了不同车型等 速万向节外套的ａ、ｈ、Ｄ参数与坯料头部内径ｄ之间的关系曲线图。用有限元方法设计BJ型等 速万向节外套预成形件@孙长杰$北京机电研究所!北京１０００８３@李社钊$北京机电研究所 !北京１０００８３@王秉义$北京机电研究所!北京１０００８３等速万向节外套;;有限元方 法;;多工位冷温锻;;预成形件用有限元方法优选等速万向节外套缩径工序的预成形件的形状和 尺寸，并给出了预成形件的变形过程图。用工艺试验验证了有限元计算结果的正确性。同时作出了不同车型外套的预成形件关键尺寸参考曲线。1Betzal
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