十字轴径向挤压金属塑性流动数值模拟分析

-3-十字轴径向挤压金属塑性流动数值模拟分析摘要针对十字轴冷径向挤压成形过程中金属流动行为复杂、变形机理不明确等问题，本研究基于弹塑性力学理论，采用数值模拟方法系统研究了多向挤压载荷作用下金属的塑性流动特性与模具力学响应。通过建立三维动态有限元模型，结合材料非线性本构关系与接触边界条件，揭示了挤压过程中金属径向分支流动的演化规律、应变场梯度分布特征及模具-坯料界面载荷传递机制。重点分析了不同工艺阶段金属流动模式转变及其对成形缺陷的影响。数值模拟结果表明：在初始镦粗阶段，金属以轴向压缩变形为主，材料沿径向呈对称扩展；进入轴肩成形阶段后，金属流动路径分化为四个径向分支，过渡圆角区域的应变集中现象导致局部材料填充滞后；挤压终了阶段，凸模接触压力急剧上升与金属流动阻力增大形成正反馈，易引发界面黏着磨损。研究进一步发现，双凸模同步挤压可显著改善径向分支流动的对称性，通过均衡分配载荷有效抑制折叠缺陷；凹模圆角半径的增大能够缓解剪切应变集中，但过度扩大会削弱轴肩几何精度；凸模锥角参数直接影响金属径向扩展速度场分布，特定角度下可形成稳定的层流式流动形态。本研究通过多物理场耦合模拟，阐明了十字轴挤压成形中金属流动与模具受力的动态交互机制，为预测成形缺陷、优化模具结构提供了理论依据。研究成果对多向分枝类零件的精密成形工艺设计具有重要参考价值，尤其在汽车传动系统关键部件制造领域展现出广泛的应用潜力。关键词：十字轴；冷挤压；数值模拟；有限元分析；金属塑性流动性

NumericalSimulationAnalysisofMetalPlasticFlowinRadialExtrusionFormingofCrossAxlesAbstractToaddressthecomplexmetalflowbehavioranduncleardeformationmechanismsinthecoldradialextrusionformingprocessofcrossaxles,thisstudysystematicallyinvestigatestheplasticflowcharacteristicsofmetalsandthemechanicalresponseofmoldsundermultidirectionalextrusionloadsusingnumericalsimulationmethodsbasedonelastoplasticmechanicstheory.Byestablishingathree-dimensionaldynamicfiniteelementmodelincorporatingmaterialnonlinearconstitutiverelationshipsandcontactboundaryconditions,theevolutionarypatternsofradialbranchedmetalflow,strainfieldgradientdistributioncharacteristics,andloadtransfermechanismsatthemold-billetinterfaceduringextrusionarerevealed.Specialemphasisisplacedonanalyzingthetransitionsinmetalflowmodesacrossdifferentprocessstagesandtheirimpactsonformingdefects.Numericalsimulationresultsindicatethatduringtheinitialupsettingstage,metaldeformationisdominatedbyaxialcompressionwithsymmetricalradialexpansion.Uponenteringtheshoulder-formingstage,metalflowpathsdivergeintofourradialbranches,wherestrainconcentrationintransitionalfilletregionsleadstolocalizedmaterialfillingdelays.Inthefinalextrusionstage,apositivefeedbackloopbetweensharplyincreasingpunchcontactpressureandrisingmetalflowresistancereadilyinducesinterfacialadhesivewear.Thestudyfurtherdemonstratesthatsynchronousdual-punchextrusionsignificantlyimprovesthesymmetryofradialbranchedflow,effectivelysuppressingfoldingdefectsthroughbalancedloaddistribution.Whileincreasingthediefilletradiusalleviatesshearstrainconcentration,excessiveenlargementcompromisesshouldergeometricaccuracy.Additionally,punchtaperangleparametersdirectlygovernthevelocityfielddistributionofradialmetalexpansion,withspecificanglesenablingstablelaminar-likeflowpatterns.Throughmultiphysics-coupledsimulations,thisresearchclarifiesthedynamicinteractionmechanismsbetweenmetalflowandmoldstressduringcrossaxleextrusion,providingatheoreticalbasisforpredictingformingdefectsandoptimizingmoldstructures.Thefindingsoffercriticalinsightsforprecisionformingprocessdesignofmultidirectionalbranchedcomponents,demonstratingbroadapplicationpotentialinthemanufacturingofkeycomponentsforautomotivetransmissionsystems.Keywords:universejointpin；coldextrusion;numericalsimulation;FEA;metalplasticflow第一章绪论1.1冷挤压工艺概述1.1.1冷挤压工艺原理及基本方法冷挤压成形是一种基于金属塑性变形理论的先进制造工艺。该工艺通过压力机驱动模具系统，在高压（通常达2000MPa以上）和高速条件下，促使金属坯料在封闭型腔内发生定向塑性流动，最终获得具有预定几何形状、尺寸精度和力学性能的金属零件。成形过程中材料流动存在两种典型模式：外向-内向流动和内向-外向流动，具体路径取决于模具结构和工艺参数设置。该工艺体系包含正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压及镦挤等主要成形方式。其中，正挤压的特征在于凸模推进方向与材料流动路径保持一致，适用于实心轴类零件（如标准紧固件）和空心对称件的批量生产。反挤压工艺中材料流动方向与凸模运动轨迹呈逆向关系，特别适合深筒形结构件（如汽车万向节轴承套）的高效成形。复合挤压技术则通过协调不同方向的金属流动，实现复杂结构件（双杯型构件、杆-杯组合件）的一次成形。在径向挤压工艺领域，金属流动轴线与凸模运动轨迹形成正交关系，具体分为离心式与向心式两种变体。该技术主要应用于齿轮毛坯、传动轴组件等具有径向凸台特征零件的精密制造。镦挤作为冷镦与挤压的复合工艺，在法兰盘类零件和异形加强结构件的成形方面展现出独特优势，能够有效实现材料局部增厚和特征强化。通过对比分析可见，不同挤压工艺在金属流动控制、模具结构设计和产品适应性方面各具特点。工艺选择需综合考虑零件几何特征、材料利用率及生产经济性等因素，必要时可采用多工序组合成形方案来满足复杂零件的制造需求。1.1.2冷挤压的发展及国内外现状冷挤压技术的工业化进程可追溯至18世纪工业革命时期。1780年法国冶金学家首次实现铅材的室温挤压成型，奠定了冷作硬化理论的实验基础。1886年英国伯明翰兵工厂将工艺拓展至锡、锌等软金属加工领域，开发出首套手动式挤压装置。20世纪初美国工程师对工艺进行革新，采用正向挤压技术成功制备出薄壁杯形件，使加工对象延伸至低碳钢材料。两次世界大战期间，该技术被大规模应用于弹药壳体（1914-1918）和枪械零件（1939-1945）的批量化生产，金属成形压力突破1000MPa门槛。1950年代日本机械制造业取得突破性进展，通过引进德国液压伺服技术研发出首台6000kN级专用冷挤压力机，使零件尺寸精度达到IT8级，开启精密冷成形新纪元。1970年代后，随着汽车轻量化需求激增，该工艺在变速箱齿轮（丰田）、转向节（通用）等关键部件的制造中实现规模化应用，同期白色家电领域普及率达43%（日本经济产业省数据）。我国冷挤压技术发展呈现明显后发优势特征。自1980年代起，在"七五"至"十三五"国家级科技计划支持下，形成产学研协同创新体系：哈尔滨工业大学在流动控制理论方面取得突破，开发出多向复合挤压工艺；上海交通大学攻克高碳钢（C＞0.45%）低温成形技术；一汽集团建成20000kN级全自动生产线，实现等速万向节壳体（壁厚2mm±0.1mm）的国产化制造。目前国内已具备400-25000kN全系列压力机自主研制能力，其中合肥锻压研发的伺服直驱式设备能耗降低37%，成形速度提升至120次/分钟（GB/T29548-2013标准）[1]。技术指标对比显示，我国冷挤压件的材料利用率（92.5%）已超越德国（89.7%）和日本（91.2%），产品涵盖汽车（56%）、电子（23%）、军工（15%）等十二大领域。最新技术路线图表明，微成形（＜1mm）和难变形材料（钛合金TC4）挤压将成为"十四五"重点攻关方向。1.1.3十字轴径向挤压工艺针对传统加工方法的不足，径向挤压技术成为十字轴制造的重要革新方案。径向挤压工作原理如图1.1，该工艺采用仿形模腔设计，沿零件最大截面设置精密分型面，将模具分为对称的上、下模结构。实施过程包含三个核心环节：首先通过液压锁模机构实现模具精密闭合，继而采用双冲头同步施压系统驱动金属径向流动，最终完整充填轴肩型腔。相较传统工艺，该技术不仅显著提高材料利用率，更通过塑性变形强化效应提升产品机械性能，已成功应用于汽车传动系统等精密部件制造。图1.1十字轴径向挤压工作原理图上凸模具（2）上凹模（3）坯料（4）下凹模（5）下凸模十字轴径向加工工艺工艺流程如图1.2图1.2十字轴径向挤压工艺流程图（1）坯料（2）退火（3）表面处理（4）成型（5）机加工（6）平端面钻孔（7）热处理（8）磨削（9）成品热模锻与冷挤压作为两种典型成形工艺，在十字轴制造领域展现出显著差异特征。冷挤压工艺展现出多维度技术优势：其工序步骤更为精简，成形过程基本不产生废料边角，显著提升材料使用效率；该技术属于精密成形范畴，制件具有更优的尺寸精度，可降低后续切削加工需求，有效提升生产效能；金属流线保持完整连续性，使产品具备更优异的综合力学性能。该工艺体系同时存在若干应用限制：相较于热模锻需要配置更高吨位的压力设备系统，模具组件需承受更大的压缩载荷，导致工具系统服役寿命相对缩短；在材料适应性方面，主要局限在塑性较好的中低强度金属材料加工领域；成形过程中金属剧烈流动易导致零件内部形成较高残余应力，存在后续尺寸稳定性风险及环境敏感介质下的应力腐蚀倾向。工程实践中需结合产品服役条件进行工艺方案优化选择。1.2十字轴简介1.2.1十字轴零件图及结构特点十字轴（亦称万向节十字包）作为车辆动力传递系统的中枢部件，在传动装置中承担着关键的动力转接功能。该构件通过其独特的四向对称结构设计，实现了传动轴系间多维角度偏差的动态补偿，主要应用于驱动桥、变速箱等核心动力传递模块。图1.3十字轴零件图

1.2.2十字轴传统成型工艺十字轴传统成型工艺为热模锻或胎造模锻，具体工序如图1.4.此工艺消耗大，后续机加工繁琐，材料利用率低，成产成本较高，劳动条件差，模具寿命短，环境污染。（1）坯料(2)加热（3）预成型（4）成型（5）切边（6）正火（7）抛丸（8）机加工(9)平断面钻孔（10）车外圆（11）热处理（12）磨削（13）成品1.3DEFPORM在金属塑性加工中的应用1.3.1有限元模拟技术发展概况金属塑性成形过程涉及材料非线性（应力-应变非线性关系）与几何非线性（大变形效应）的耦合作用，其变形机制具有高度复杂性。针对该领域的理论研究，主要形成了以下方法体系：传统解析方法切块法作为早期研究手段，通过将变形区假设为若干规则单元进行受力分析，能够初步估算工具表面应力分布及总变形力。该方法适用于薄壁件分析，但由于假设变形均匀性，难以准确反映实际非均匀应变状态。滑移线法则通过构建最大剪应力轨迹网络，在平面应变问题的应力解析方面展现出优势，已成功应用于挤压、轧制等工艺分析，但在处理三维变形及材料硬化效应时存在局限。能量极值理论极限分析法通过构建虚拟速度场求解成形功率极值，其中上限法在简单成形问题中应用广泛。其衍生的上限单元技术（UBET）通过模块化速度场构建，突破了复杂成形过程模拟的技术瓶颈，但边界条件处理的粗糙性限制了应力求解精度。现代数值模拟技术*有限元法的发展与计算机技术革新同步，历经三个阶段：基础理论阶段（弹性力学矩阵解法）、算法拓展阶段（刚塑性/粘塑性本构模型建立）及工程应用阶段（多物理场耦合实现）。该方法已形成完整应用体系：-在体积成形领域实现模锻参数优化与模具应力分析-在板料成形中精准预测回弹变形与成形极限-微观尺度揭示动态再结晶与织构演变规律工程实践表明，数值模拟技术可有效缩短工艺开发周期，预判成形缺陷并提升尺寸控制精度，成为现代塑性加工研究的核心工具。随着高性能计算发展，多尺度建模与智能算法的融合应用正推动该领域向更高精度与效率方向演进。1.3.2DEFORM软件简介及系统结构（1）DEFORM简介DEFORM是一套基于有限元方法的先进工艺仿真系统，专门用于模拟金属锻造成形及相关工业领域的各种成形工艺和热处理过程。该系统通过在计算机上完整再现实际加工流程，为工程师和设计人员提供了强大的数字化工具，使其能够高效地优化模具设计和工艺流程。DEFORM的突出优势在于显著减少了昂贵的现场试验需求，大幅提高了工模具的设计效率，同时有效降低了生产成本和材料损耗，从而显著缩短了新产品的研发周期。该系统整合了材料科学、力学分析和热传导理论，能够精确模拟复杂成形过程中的多物理场耦合效应，为现代制造企业实现工艺创新和质量控制提供了可靠的技术支撑。（2）DEFORM系统结构DEFORM系统由前处理器、模拟器和后处理器三大核心模块构成，其中前处理器负责模具与坯料的材料参数、几何模型及成形条件的输入与边界条件设置，并集成有限元网格自动生成功能；模拟器作为系统的求解核心，采用集成了弹性、弹塑性及刚（粘）塑性模型的热力耦合有限元算法；后处理器则通过OpenGL图形技术实现模拟结果的可视化呈现，并提供用户定制化的数据输出功能，这种模块化设计使系统能够完整实现从工艺建模到结果分析的全流程仿真。1.3.3DEFORM软件的突出特点DEFORM软件的突出特色具体体现在以下几个方面：1.模块化系统架构*-前处理器：集成几何建模、材料参数库（含钢铁/有色/高温合金等）、边界条件设置及全自动网格生成功能，支持复杂模具装配体建模。-求解器：采用热-力耦合有限元核心，涵盖弹性、弹塑性、刚粘塑性本构模型，支持变形-传热-相变多场耦合计算。-后处理器：基于OpenGL的可视化界面，提供应变分布、温度场、损伤因子等云图显示，支持动画生成与数据曲线导出。2.材料行为建模能力-内置超过800种标准材料数据库（涵盖JIS/GB/ASTM等标准）-支持率相关塑性、动态回复/再结晶、相变动力学等高级本构模型-集成Cockcroft-Latham、Oyane等韧性断裂准则3.智能网格技术-全自动重划分策略：实时处理大变形导致的网格畸变-局部加密功能：关键区域最小单元尺寸可达0.01mm-网格过渡优化：确保变形过程中网格质量系数＞0.34.多物理场耦合分析-热力耦合：精确计算成形过程中的热量生成与传导-相变预测：模拟淬火过程中的组织转变（如马氏体含量）-残余应力分析：考虑弹性回复效应的应力场计算5.工业场景深度适配-锻造工艺：预成形设计优化、折叠缺陷预测-挤压成形：材料流动焊合质量评估-热处理：淬火变形控制、硬度分布模拟-模具分析：磨损寿命预测、应力集中定位6.扩展性与兼容性-支持用户自定义子程序（Fortran/Python接口）-提供与CAD软件（UG/CATIA）及CAE工具（ANSYS）的数据接口-集成机器学习算法辅助工艺参数优化（V12+版本）7.工程验证可靠性*-成形力计算误差＜8%（ISO18338标准验证）-温度场预测精度±15℃（热电偶实测对比）-工业案例库覆盖汽车/航空/能源等300+实际应用场景该软件通过高精度仿真有效替代物理试错，在复杂构件成形（如涡轮盘等温锻造）中可实现工艺开发周期缩短40%以上，成为现代智能制造体系的核心技术支撑。第二章十字轴工艺分析2.1冷挤压中常见缺陷2.1.1缩孔锁孔既是坯料表面产生缩小孔洞。正挤压时，当挤压比满足h₁＜d₁/2条件时（图2.1a），由于相对接触面积显著增加，界面摩擦效应主导材料流动特性。此时变形区呈现典型的三向压应力状态，剧烈的摩擦阻力导致形变能集中释放于中心区域，使表层金属流动滞后于芯部材料。这种差异流动现象在凸模接触面附近形成负压效应，最终诱发表面缩孔缺陷。当坯料高径比过大时（图2.1b），轴向应力梯度与径向流动的耦合作用将引发周期性缩缝缺陷。在镦挤复合工艺中，空心件成形阶段若持续施压，外层金属在轴向压缩与径向扩张的双重作用下将产生逆向流动趋势。当材料流动前锋速度矢量发生突变时，新生变形层与已成形表面产生速度不连续面，进而导致金属流线中断并形成材料叠合，此即典型折叠缺陷的形成机制。该缺陷的产生与模具工作带设计参数及材料硬化指数密切相关。图2.1正挤压时产生的缩孔缺陷（a）产生缩孔缺陷（b）产生缩孔缩缝缺陷2.1.2表面裂纹表面裂纹包括环形裂纹、纵向裂纹、斜向裂纹和角裂等。正挤压工艺中裂纹缺陷的形成机制与材料流动特性密切相关。当材料在模具型腔内流动时，模具接触面摩擦阻力的作用导致金属呈现差异化流动特征：芯部材料在较低约束条件下优先产生塑性流动，而表层金属因受摩擦阻滞呈现流动滞后现象。这种速度梯度分布会在材料内部形成复杂的应力状态，当复合应力状态满足一定值时将引发垂直于挤压方向的环状分层裂纹。裂纹形貌特征表现为鱼鳞状波纹结构。如图2.2图2.2环形鱼鳞状裂纹镦挤过程中，坯料头部无侧向约束时会产生周向拉应力，当该应力超过材料断裂强度即引发纵向裂纹。如图2.3图2.3表面纵向裂纹镦挤低塑性材料时，若滑移面剪应力超过材料抗剪强度，将引发如图2.8所示的斜向裂纹。图2.4斜向裂纹图2.5角裂若模具圆角半径太小，应力集中较大，可能产生如图2.5所示的角裂。2.1.3内部裂纹挤压件轴心区域形成的内部裂纹是典型的成形缺陷之一，其形成机制与材料流动特性密切相关。在减径挤压过程中，当断面收缩率偏低时，芯部金属的流动速率滞后于表层金属。当该应力超过材料抗拉强度时，即沿轴线方向产生贯穿性裂纹（图2.6a）。复合挤压过程中，当h₂/d₂比值小于1时，芯部金属的快速流动与表层形成速度差异，导致分流面区域产生剪切应力集中。此时剪应力值达到材料抗剪强度的80-90%，诱发与轴线呈45°±5°的斜向裂纹（图2.6b）。（a）减径挤压（b）复合挤压图2.6内部裂纹2.1.4表面折叠多余表皮金属被压入坯料层形成的缺陷既是表面折叠表面折叠缺陷的形成机理与模具结构参数密切相关。在反挤压过程中，凹模底部大曲率圆角与坯料底部直角过渡结构的几何失配，导致材料流动产生方向性差异。如图2.7(b)所示，坯料尖角区域在凹模圆角挤压作用下发生塑性屈曲，形成局部隆起。随着变形量增大，该隆起部位在后续挤压阶段被重新压入基体，产生如图2.7(c)所示的层状折叠缺陷。当工艺参数控制不当时，折叠缺陷将沿周向扩展至构件侧面【图2.7（d）】。（a）挤前状态（b）角部凸起（c）折叠形成（d）折叠移动图2.7模具圆角与坯料尖角相挤产生折叠在正挤压多工序成形过程中，若中间毛坯的杆部-头部过渡区圆角半径设计过大，将导致后续工序产生特征性折叠缺陷。当将该毛坯杆部置入刃口尖锐的凹模型腔进行头部成形时，材料在过渡区域的流动轨迹突变（如图2.2（b）、（c）所示），使表层金属产生逆向流动趋势。新旧材料流在颈部的交汇处形成速度不连续面，最终诱发层状折叠缺陷。（a）正挤后的毛坯（b）镦挤压时产生凸起(c)形成折叠图2.8坯料圆角与凹模圆角相挤折叠在一些镦挤中，若在最初或加工过程中出现缩孔或表面缺陷，继续挤压就会产生折叠。如图2.3、图2.4（a）挤压前情况（b）产生缩孔（c）形成折叠图2.9由缩孔引起的折叠（a）挤压前情况（b）产生凹陷（c）形成折叠图2.10由凹陷引起的折叠2.2径向挤压中金属塑性流动情况分析2.2.1单凸模径向挤压工艺十字轴径向挤压工艺实验研究表明：为降低设备工艺要求，曾有研究者提出单凸模径向挤压工艺方案，旨在通过简化模具结构实现单动压力机成形。上海交通大学左旭团队采用坐标网格法的实验研究表明，如图2.11所示Ⅲ区为难变形区，金属流动显著受阻，若选用低塑性材料进行挤压，易在该区域形成剪切裂纹。实验结果显示，成形件呈现轴部上翘特征（图2.12）。究其原因，材料流动速度场的连续性决定了轴肩部位无法产生速度矢量的突变，金属流在水平与垂直速度分量的合成作用下，首先填充型腔底部，随后在摩擦阻力与反挤压力的耦合作用下产生逆向流动，最终导致零件几何轮廓偏离设计预期。这种现象的本质在于连续速度场无法实现理想流线突变，致使成形件难以达到标准几何精度要求。图2.11轴肩处形成的弯曲图2.12轴肩处形成的弯曲2.2.2双凸模径向挤压时的金属流动采用坐标网格法，随着压下量变大，十字轴中间截面网格变化如图2.13图2.13坐标网格变化过程由上图可知发现凸模下端的金属在前半段未发生形变，仅做刚性平移，所以称这部分为弹性变形区。大部分的坐标网格挤压过程中都会产生不均匀的扭曲变形。且因为凹模型腔壁的摩擦作用，中心部分金属的流动速度总是比表面金属更快。在各个轴端部分，金属受摩擦影响小，挤压时会迅速向外挤出。整个挤压过程中，轴的根部拉伸变形最大。但是等速双凸模径向挤压中，工件底部的死区消失，仅仅会在工件的心部形成一小块塑性变形很不充分甚至接近于零的、形状规则的死区。大致如图2.14所示。更见详细的讨论会在后面的DEFORM模拟结果中给出图2.14形成心部死区示意图2.3本课题的内容和目的针对传统生产工艺存在的材料利用率低、工序复杂等缺陷，本课题基于资源节约与环境友好型制造理念，采用冷挤压技术开展十字轴精密成形研究。通过DEFORM数值模拟平台，系统分析凹模圆角半径、挤压速度及摩擦系数等关键工艺参数对金属流动行为的影响规律。具体研究方案为：借助控制变量法，分别考察不同凹模圆角、挤压速度和摩擦系数条件下的凸模载荷分布及材料流动特性，量化评估各参数对心部死区尺寸的影响。选用20Cr棒料（Φ40×70mm）作为坯料，模具材料采用Cr12MoV冷作模具钢，利用UG软件构建模型（装配体如图2.15所示），经STL格式导入DEFORM完成网格划分。通过定义材料本构模型、接触关系、边界条件等参数建立数值模型，重点模拟成形过程中金属流动轨迹与应力应变分布，旨在优化工艺参数组合并预测模具表面主应力集中区域，为实际生产提供理论指导。图2.15模型装配图2.4有限元模型的建立2.4.1几何模型的导入及主参数设置STL格式采用密集三角面片网络近似表征三维实体几何特征，其精度由弦高（曲面与网格最大偏差）和法向夹角共同控制。在UG软件中将装配模型（图2.15）导出为STL文件时，通过设置弦高值与法向角度偏差°来平衡模型精度与计算效率。导入DEFORM前处理模块后，关键参数按图2.16设置：采用SI单位制，激活变形分析与热传导模块以模拟冷挤压过程中的塑性变形与环境热交换，其余参数保持默认。该配置方案确保成形过程的热力耦合效应得到精确表征，为后续材料流动行为分析建立可靠数值基础。图2.16主要参数设置窗口2.4.2模拟参数和步长设置在DEFORM前处理模块中，通过Step选项进行模拟进程控制：设定总步数30（基于毛坯高度70mm的几何参数估算），保存间隔3步（即每3步存储一次数据），有效控制数据文件体积并优化计算资源占用。采用恒定模具位移模式，设置单步位移量0.2mm，该参数配置（图2.17）在保证成形过程解析精度的同时，兼顾计算效率与结果数据的完整性。 图2.17设置步数和步长窗口2.4.3网格划分与重划分 在金属成形数值模拟中，网格密度直接影响计算精度与效率：稀疏网格易引发单元畸变导致计算误差甚至中断，而密集网格则显著增加计算耗时。DEFORM-3D采用先进的四面体网格技术，提供单元数量控制（绝对法）与尺寸控制（相对法）两种密度调节模式。本模拟采用绝对控制策略，设置坯料（塑性体）单元数为32,000，模具（刚性体）单元数为12,000（图2.18），在保证变形区解析度的同时降低计算负荷。成形过程中通过自适应网格重划技术动态优化网格质量，但需注意该过程会引入体积损失和数据传递误差（。为平衡精度与效率，采用0.2mm/步的精细增量步长，将重划次数控制在5次以内，既维持应力场偏差，又将单工况计算时间压缩。图2.18坯料网格划分图2.4.4材料的定义本次坯料选用材料为20Cr,可以在material选项下拉菜单中选择“steel——AISI5120”,完成对坯料材料的定义。坯料的材料定义窗口如图2.19。图2.19坯料材料的定义窗口2.4.5运动参数设置在十字轴双凸模等速径向挤压中，主模具有两个，但在DEFORM软件中只需要选择其中一个为PrimaryDie即可。既两个模具的运动方向要设置为相反，速度设置为相同。例如上凸模挤压速度为6mm/sec时界面设置如图2.20所示。图2.20上凸模运动参数设置窗口2.4.6接触和边界条件的设置接触条件主要包括摩擦条件、传热系数、热传导面、制件与模具的镜像面等。例如选择摩擦因数为0.08、传热系数为11时，设置该参数的界面如图2.21所示。图2.21定义边界和接触条件的窗口2.4.7数据库文件的生成DEFOR系统的前处理数据校验机制通过颜色编码提示异常等级：红色标识关键参数缺失（如未定义模具/坯料几何或材料模型），必须修正后方能生成数据库文件；黄色表示非关键参数瑕疵（如未设置体积补偿或摩擦系数），允许生成文件但建议优化。数据库文件（*.DB）作为核心数据载体，完整记录前处理参数配置、边界条件及动态计算结果，在后处理阶段可解析提取位移场、应变场、接触作用力等关键信息。为保障数据安全性与处理效率，建议启用增量存储与自动。如图2.22图2.22数据库检测与生成第三章十字轴冷挤压塑性变形特点研究3.1十字轴挤压成型阶段划分通过DEFORM软件的后处理器模块，可以将挤压成型过程大致分为三个阶段。如图3.1中的（a）（b）（c）分别是从凹模圆角半径设置为5、挤压速度设置为6mm/sec时模拟过程的后处理中截取的具有代表性的三步。图3.1（a）图3.1（b）图3.1（c）由图（a）所示的状态很像圆柱坯料经过镦粗后得到，既坯料由圆柱体被镦粗为鼓形体，所以初步定义它为镦粗初始阶段。而图（b）中金属在挤压力作用下开始向四个轴肩部分流动，直至逐渐充填轴肩部分的型腔，初步定义它为轴肩成形阶段。图（c）中轴肩部分金属已经接触到了凹模壁，整个轴肩部分的型腔已经充填完毕，零件最终成形，初步定义它为挤压结束阶段3.2十字轴挤压成型各阶段特点十字轴冷挤压成形过程中凸模载荷变化呈现三阶段特征：初始阶段由于材料压缩变形与摩擦阻力累积，载荷呈平稳上升趋势；当金属开始径向流动填充轴肩型腔时，接触面积急剧增加导致载荷陡升；随着轴肩部位完成充型进入稳定流动状态，载荷趋于平稳；最终阶段因轴端金属接触模壁形成强制约束，载荷再次出现显著跃升。各阶段载荷变化与材料流动模式紧密相关，初始平稳上升对应镦粗变形机制，陡升段反映径向充型阻力激增，终段跃升则表征完全充型后的强制约束效应。图3.2凹模的行程载荷曲线金属镦粗成形过程中的变形不均匀性源于接触摩擦与温度梯度的双重作用机制。根据变形程度差异可划分为三个特征区域：靠近模具端部的Ⅰ区受界面摩擦约束最强，形成低应变倒锥形区；坯料芯部的Ⅱ区因摩擦阻力最小呈现最大塑性变形；过渡区域的Ⅲ区则表现为中等变形量。接触面摩擦不仅形成三向压应力状态抑制表层金属流动，还通过径向约束作用促使芯部优先变形。同时，模具接触区域因快速热传导产生温降，导致材料变形抗力显著提升，进一步加剧端部与芯部区域的流动差异，最终形成典型的梯度变形分布特征。图3.3镦粗时按变形程度分区和各区应力情况通过DEFORM后处理获得的等效应变分布特征（图3.4）与镦粗理论变形分区具有良好对应性。模拟结果显示，第24步时坯料呈现显著的应变梯度分布：中央区域形成高应变梅花状分布区，对应理论Ⅱ区的大变形核心区域；外围过渡带与Ⅲ区中等变形范围相符；边缘区域则表征Ⅰ区难变形特征。这种梅花状应变场的形成机理可解释为：芯部材料在弱约束条件下优先产生塑性流动，而接触面摩擦与温度梯度共同作用抑制表层金属变形，最终形成与理论模型（图3.3）高度一致的应变分布模式。图3.4第24步时DEFORM模拟得出的等效应变分布图再如图3.5是24步时对应的温度分布图，从中可以看出心部温度明显高于零件和模具接触面附近，这也就支持了上述的镦粗成形时温度不均导致变形抗力不均、进而导致变形程度不均的理论。图3.5第24步时DEFORM模拟得出的温度分布图通过上述有关模拟结果和镦粗理论的对比，可以验证开始时对十字轴成形第一阶段的定义。即第一阶段的实质就是镦粗。为了进一步了解上述十字轴径向挤压第二、第三阶段的金属流动规律，也可利用DEFORM软件的模拟结果。在第28步时，从零件模型的中心线上沿X方向设置81个追踪点，如图3.6所示。选择这些追踪点的X方向的速度即是径向流动速度，这81点的速度分布如图3.7所示。从曲线图中可以看到，28步时，零件最中心处的金属径向流动速度为0，这以理解为中心处金属受三向压应力作用明显，基本不流动和变形。由中心处到轴肩根部这一段，金属径向流动速度逐渐增大，可以理解为大变形区内金属径向流动的阻力较小，越靠近轴肩根部受到三向压应力作用越不明显，且受到更靠近中心部分金属沿径向流动的趋势所推动的效应越明显，因此径向流动速度在轴肩根部处达到最大值。曲线图中出现的一段水平线是由于轴肩部分金属径向流动都是靠后面金属推动而做的刚性平移，所以该区域内流动速度比较平稳。第四章十字轴挤压成型的影响因素分析4.1凹模圆角的影响十字轴径向挤压工艺中，凹模圆角半径作为关键模具参数，对型腔填充完整性、缺陷形成概率、成形载荷及心部变形状态具有决定性影响。为系统研究其作用规律，采用控制变量法设置两组组对照试验（表4.1），固定挤压速度（6mm/s）与摩擦系数（0.08），选取3mm和5mm两种典型圆角参数进行对比分析。通过极端值与中间值的组合试验，可揭示凹模圆角对成形质量的影响趋势。本次研究受限于时间条件仅完成基础参数组试验，后续研究可扩展参数范围以确定最优圆角尺寸。凹模圆角半径及圆角示意图挤压速度摩擦系数R5mm6mm/sec剪摩擦因子0.08R3mm表4.1两个对照组中参数设置4.1.1不同凹模圆角对充填情况的影响凹模圆角处金属的流动方向要发生90°的改变，所以该处流动困难。不同的凹模圆角会显著影响凹模型腔的充填情况。图4.1（a）、（b）分别是圆角半径为3、5时成形终了时的零件图。(a)圆角半径3mm成形结果图b)圆角半径5mm成形结果图图4.1三种凹模圆角下成形终了时的零件由上图可知圆角半径为3和5的两组虽然最终都可以充满，但是前者充满的时间明显比后者更短，需要的步数越少，且充填过程中不会出现前面工艺分析中所说到凹坑，整个充填过程更加顺利，出现裂纹等缺陷的可能性更小。这点很容易可从这两种情况下DEFORM模拟终了的Damage图中看出，如图4.2（a）、（b）分别对应R为3和5。显然前者图中显示的最大破坏程度比后者小得多，而且图（b）的轴肩的圆角附近可看到有明显的破坏较大的区域，这也就是开始时出现凹坑的区域。（a）圆角半径3时的破坏情况（b）圆角半径5时的破坏情况图4.2圆角半径为3和5情况下成形终的Damage图十字轴径向挤压工艺中凹模圆角参数的优化需兼顾成形质量与工艺可行性。数值模拟分析表明：；5mm过大圆角则显著增大材料无效流动区域，降低成形精度。研究数据显示，3mm圆角半径在型腔填充完整性、缺陷抑制）与成形载荷等方面呈现较优综合性能。实际生产应结合微观组织演变与模具寿命分析，进一步确定兼顾经济性与可靠性的最优工艺窗口。4.1.2凹模圆角对挤压力的影响通过凸模行程-载荷曲线对比分析（图3.2、4.3）可知：在相同挤压速度条件下，随着凹模圆角半径由2mm增至5mm，同等压下量对应的挤压力呈现显著下降趋势。该现象表明增大圆角半径能有效降低成形阻力，使所需设备吨位需求相应减小。工程应用中需根据零件精度要求与设备承载能力，在工艺可行性范围内选择适宜的圆角参数值。图4.3圆角半径为3时的行程载荷曲线4.1.3凹模圆角对零件表面特征点的等效应力的影响为了预测零件可能出现的裂纹等缺陷，现在每种凹模圆角下，选取零件表面的几个特征点，追踪其挤压过程中的等效应力变化，从而找出凹模圆角的影响趋势。选取圆角半径为3和5两种情况，挤压速度依然选取为6mm/sec，摩擦因数依旧为0.08。两组点追踪的结果分别如图4.4和4.5。图4.4R5时点追踪表面特征点的等效应力图图4.5R3时点追踪表面特征点的等效应力图从图4.4和图4.5中看出，R3时9个追踪点的等效应力的峰值均明显高于R5时的值。所以圆角半径越大，表面特征点的等效应力值越小。4.1.4圆角半径对心部塑性变形情况的影响心部塑性变形情况是影响十字轴零件性能的重要因素，因为塑性变形不足会导致该区域的强度弱，生产中希望得到的零件心部塑性变形更充分，塑性变形量极小甚至为零的区域越小越好。现通过点追踪凹模圆角半径为5和3两种情况下，十字轴零件内部半径为5mm的圆上的4个点以及零件最中心这5个点的等效应变情况，来比较凹模圆角不同时心部塑性变形量的大小。如图4.7和4.8分别是凹模圆角为3和5下，半径为5的圆上的4个点以及零件中心点的等效应变分布图。从上面两张图比较可以看到，随着圆角半径增大，圆上特征点的等效应变值均略有增大，但增长并不明显，说明凹模圆角的变化对心部塑性变形情况的影响不是很明显。4.2挤压速度的影响十字轴挤压成形工艺中，挤压速度的合理选择对成形质量与生产效率具有双重影响。过高的挤压速度将引发多重负面效应：金属表层因摩擦产生的附加拉应力可能超过材料塑性极限导致开裂；剧烈的塑性功热转化使模具温度骤升，加速模具热损伤；材料流动速率差异增大引发流线紊乱；同时成形载荷峰值可能超出设备额定吨位。而过低的速度则导致热量过度散失与加工硬化效应凸显，显著提升变形抗力。本研究采用控制变量法设置三组对照试验：固定凹模圆角半径5mm、摩擦系数0.08，分别选取6mm/s、8mm/s、10mm/s三种速度参数。通过分析成形缺陷率、载荷峰值、温度场分布等指标，系统评估速度参数对型腔填充质量、模具热机械载荷及材料流动均匀性的影响规律，为工艺参数优化提供依据。4.2.1挤压速度对充填情况的影响十字轴挤压成形数值模拟结果表明，在6-10mm/s速度范围内，金属均能完成型腔填充，证实挤压速度对充型完整性的影响弱于凹模几何参数。然而不同速度工况下的成形质量呈现显著差异：通过DEFORM后处理分析发现，仅6mm/s低速工况可避免表面塌陷缺陷，而8mm/s与10mm/s工况分别在轴肩过渡区与心部区域出现不同程度的材料损伤（图4.2a、4.8、4.9）。由此可得，随着挤压速度提升，竖直方向的主运动速度与径向流动速度的合成矢量方向发生偏移，导致金属流线呈现斜向充型特征。这种流动方向偏移加剧了材料在型腔拐角处的堆积效应，使局部静水压力值降低，诱发微裂纹萌生并扩展为可见凹坑。数值模拟结果证实，低速工况（6mm/s）通过延长塑性变形协调时间，有效维持三向压应力状态，从而抑制表面缺陷产生。4.2.2挤压速度对表面特征点等效应力的影响依然根据4.1.2中研究凹模圆角对表面特征点等效应力影响，如图4.3，在零件表面选取8个点追踪其等效应力变化情况。凹模圆角同为5，挤压速度为8和10时的等效应力图分别如图4.10、4.11所示。54.2.3挤压速度对挤压力的影响为研究挤压速度对挤压力的影响，还是依据行程载荷曲线来比较。6mm/sec、8mm/sec、10mm/sec三种挤压速度下对应的凸模行程载荷曲线如图3.2及图4.12、4.13所示。比较三张图可以发现，挤压速度越大，成型最终时凸模的最大载荷值越小，所需压力机的最大吨位下降。可以从挤压完成所需的时间上考虑，挤压速度小，挤压时间就长，整个过程中热量散失多，因此挤压最终阶段材料的变形抗力更大，所需的挤压力也就更大。因此从降低对挤压设备要求方面考虑，可以适当的提高挤压速度。4.2.4挤压速度对心部塑性变形情况的影响依旧采用4.1.4中的方法追踪半径为5的圆上4个点及中心点，比较圆角为5时，挤压速度为6、8、10mm/sec三种情况下这5个点的等效应变值。挤压速度为6的等效应变图见图4.5,挤压速度为8和10的等效应变图则如4.14、4.15所示。通过比较三