三叉軸流動(dòng)控制工藝研究

金廣柱　李偉

摘 要：文章主要闡述了在中等溫度下如何進(jìn)行三叉軸流動(dòng)控制工藝鍛造加工，并針對(duì)三叉軸流動(dòng)控制工藝設(shè)計(jì)了二種方案，并根據(jù)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)確定最佳方案，同時(shí)利用確定的最佳方案進(jìn)行了三叉軸加工實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證最佳工藝方案的正確性。

關(guān)鍵詞：三叉軸；流動(dòng)控制工藝；工藝方案

三叉軸如圖1所示，它是汽車的一種萬向節(jié)傳動(dòng)軸，是汽車上重要的傳動(dòng)零件之一。由于汽車在高速行駛過程中三叉軸三個(gè)軸上的軸承等速高速旋轉(zhuǎn)，所以要求三叉軸具有高強(qiáng)度、高精度、高硬度。那么三叉軸是如何加工的呢？由于其形狀的特殊，現(xiàn)在普遍采用模鍛成形的方法加工，模鍛成形是在鍛壓設(shè)備動(dòng)力作用下，金屬在模鍛型槽中被迫塑性流動(dòng)，從而獲得比通過自由鍛獲得的鍛件的質(zhì)量更高的鍛件的加工方法。由于模鍛成形工序步驟較多、工件精度較低、材料利用率較低、模具硬度強(qiáng)度要求高、模具磨損嚴(yán)重、模具壽命短等缺點(diǎn)，因而急需提高其工藝。

流動(dòng)控制成形是近年來流行的精密模鍛成形新技術(shù)，它可以精確控制金屬材料的非均勻塑性流動(dòng)，提高其成形性能，可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件的精密成形；能有效避免折疊、充不滿等缺陷的產(chǎn)生，使鍛件金屬流線連續(xù)致密、分布合理，大大的提高了產(chǎn)品的力學(xué)性能。本文主要闡述了三叉軸采用中等溫度如何利用流動(dòng)控制工藝進(jìn)行三叉軸加工，并確定最優(yōu)方案并進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證方案的正確性。

1 三叉軸流動(dòng)控制工藝方案確定

1.1 三叉軸零件分析

從圖1中三叉軸可以看出它是中間部分為球缺形狀，周圍有三個(gè)分布均勻的軸頸互成120度分布完全對(duì)稱屬于枝杈類零件，由于其形狀特殊不適于加工，因此就其形狀和強(qiáng)度而言只適合鍛造。

1.2 鍛壓溫度的確定

鍛造按其溫度分為冷拔、溫鍛、熱鍛。三叉軸采用溫鍛（溫度在400-800°）即克服了熱鍛加熱溫度過高出現(xiàn)表面氧化、蛻皮等質(zhì)量差問題，又克服了冷拔溫度過低所需設(shè)備噸位大，模具要求高，易磨損等缺點(diǎn)，由于材料為20Cr硬度較硬所以溫度定位800°。

1.3 三叉軸毛坯材料的確定

由于三叉軸是一種高強(qiáng)度、高精密的傳動(dòng)軸受力較大，因此材料選擇Cr20，又因三叉軸中間部分為直徑20MM的球缺形狀，并且為了盡量減小壓力機(jī)的行程，所以綜合考慮各方面因素坯料選擇為圓形且直徑為18mm，根據(jù)PRO/E或UG等三維軟件測量出三叉軸的體積，算出其長度，因此毛坯材料選直徑為18mm、長25mm的圓形棒料。

1.4 擠壓工藝方案的確定

根據(jù)三叉軸零件上下完全對(duì)稱且金屬在成形過程中流動(dòng)方向與擠壓方向垂直屬于徑向擠壓，所以采用凹模中間上下水平分模。傳統(tǒng)的開式模鍛方式是采用粗墩毛坯，然后上凹模擠壓下凹模并與下凹模具合攏成形。但由于其工序步驟較多、工件精度較低、材料利用率較低、模具硬度強(qiáng)度要求高、模具磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)，其工藝急需改進(jìn)。本文根據(jù)零件的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了2種新型流動(dòng)控制工藝方案。

1.4.1 方案一。采用上下凹模固定不動(dòng)凸模向下擠壓如圖2，金屬性能上下各部分不均勻，并使模具磨損嚴(yán)重，縮短了模具的使用壽命。通過軟件DEFORM模擬金屬流動(dòng)過程發(fā)現(xiàn)離受力遠(yuǎn)的下部流速較快，上部較慢，上下兩部分速度差大，使零件下部應(yīng)力較大，且擠壓機(jī)行程較大。

1.4.2 方案二。采用上下凹模固定不動(dòng)，凸模上下等速同時(shí)擠壓如圖3，因此方案二的行程幾乎是方案一的一半（對(duì)單個(gè)擠壓機(jī)來說，大大的縮短了行程），同時(shí)避免了方案一的上下流動(dòng)速度差值大，且金屬性能各部分不均勻，使模具磨損嚴(yán)重及模具使用壽命短且擠壓機(jī)行程較大的缺點(diǎn)的問題。通過軟件DEFORM模擬金屬流動(dòng)過程發(fā)現(xiàn)上下流速幾乎相同，中間略大，金屬流動(dòng)形狀成前端突出的半球形，是合理的形狀。

1.4.3 方案的選擇。通過對(duì)以上二個(gè)方案進(jìn)行比較我們發(fā)現(xiàn)：無論從外表的質(zhì)量和尺寸精度還是內(nèi)部應(yīng)力、金屬充滿程度、內(nèi)部有無氣泡、金屬流動(dòng)形狀，以及模具使用壽命上看都是方案二最優(yōu)，因此最終選方案二。

2 三叉軸流動(dòng)控制工藝加工實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)工藝的好壞，特進(jìn)行三叉軸流動(dòng)控制工藝加工實(shí)驗(yàn)：首先選定材料為20Cr直徑為為18mm，長度為25mm棒料進(jìn)行軟化處理，選擇潤滑劑為石墨，液壓機(jī)選擇J55-1000型液壓機(jī)，模具如圖4，且在三個(gè)徑向軸頸末端設(shè)有余料倉，采用方案一工藝最終加工的實(shí)際產(chǎn)品去除余料后如圖1。經(jīng)檢驗(yàn)表面精度高，無瑕疵內(nèi)部無不充滿，強(qiáng)度和硬度均合格，軸端幾乎不用加工，此工藝可行。

3 結(jié)語

本文主要闡述了三叉軸采用流動(dòng)控制工藝如何在中等溫度下進(jìn)行鍛造加工，并針對(duì)流動(dòng)控制工藝設(shè)計(jì)了二種方案，并根據(jù)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)確定最佳方案，同時(shí)利用已確定的最佳方案進(jìn)行三叉軸加工實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證工藝方案的正確性。此工藝不但低碳、環(huán)保，而且制件精度高幾乎不用加工，外部無瑕疵，內(nèi)部無氣孔、無不充滿現(xiàn)象。此工藝對(duì)其它枝杈類零件（如十字軸）有極大的推廣作用。

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作者簡介：金廣柱（1966- ），男，滿族，黑龍江佳木斯人，高級(jí)工程師，佳木斯技師學(xué)院機(jī)電工程系模具教研室，主要從事模具制造和設(shè)計(jì)研究；李偉（1967- ），男，漢族，黑龍江佳木斯人，高級(jí)工程師，佳木斯技師學(xué)院焊接系船舶教研室，主要從事焊接工與設(shè)備。