三銷軸叉精整底部裂紋產(chǎn)生和防護(hù)

王德林，陸有根，吳兵

（上海納鐵福傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司 制造工程部，上海 201315）

三銷軸叉精整底部裂紋產(chǎn)生和防護(hù)

王德林，陸有根，吳兵

（上海納鐵福傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司 制造工程部，上海 201315）

三銷軸叉精鍛件是汽車等速傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，其頭部?jī)?nèi)、外腔形狀復(fù)雜，尺寸精度要求高，故一般采用溫鍛預(yù)成形+冷精整成形復(fù)合成形技術(shù)，而預(yù)成形溫鍛件設(shè)計(jì)不合理，在冷精整成形中，存在內(nèi)腔底部薄壁處出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題。利用數(shù)值模擬技術(shù)，分析了三銷軸叉冷精整型腔底部區(qū)域成形過(guò)程的成形力、應(yīng)力、應(yīng)變的變化，對(duì)預(yù)成形溫鍛件進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了不同的入模角，入模角的起始點(diǎn)位于內(nèi)腔基準(zhǔn)平面之上。工程實(shí)踐后，優(yōu)化后的預(yù)成形溫鍛件在冷整形后，口部?jī)?nèi)腔底部沒有裂紋產(chǎn)生，流線連續(xù)，獲得較為理想的精鍛件。證明優(yōu)化后的預(yù)成形溫鍛件，經(jīng)冷精整成形后，精鍛件產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，可有效防止裂紋產(chǎn)生。

三銷軸叉；冷精整；裂紋；預(yù)成形；入模角

三銷軸叉是汽車等速傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力從變速箱通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到車輪；在傳遞期間，三銷軸叉需要承受較大的力矩，且對(duì)傳動(dòng)精度要求較高。三銷軸叉頭部?jī)?nèi)外表面不進(jìn)行機(jī)加工，頭部的尺寸公差要求控制在0.1 mm之內(nèi)。若對(duì)三銷軸叉鍛件直接進(jìn)行單純的溫鍛成形，則頭部尺寸很難達(dá)到產(chǎn)品要求；若對(duì)三銷軸叉鍛件直接進(jìn)行單純的冷擠壓成形，由于該零件形狀復(fù)雜，變形量大，單純的冷擠壓成形三銷軸叉零件很困難。成形該零件一般采用溫、冷精鍛復(fù)合成形技術(shù)[1]。冷擠壓技術(shù)是利用金屬材料在冷變形時(shí)的加工硬化特性，使擠壓件的強(qiáng)度提高[2—3]，冷擠壓后，三銷軸叉精鍛件強(qiáng)度滿足產(chǎn)品使用要求。文中通過(guò)數(shù)值模擬[4—6]與工程實(shí)踐相結(jié)合的方法，分析三銷軸叉精整底部裂紋的產(chǎn)生原因，研究材料流動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化預(yù)成形工藝，避免裂紋產(chǎn)生。

1 精整件底部裂紋位置描述

三銷軸叉精鍛件所用材料為XC45，典型的溫冷復(fù)合成形工藝為：下料→拋丸→預(yù)涂→感應(yīng)加熱→正擠柄部→頭部鐓粗→反擠頭部成形→拋丸→冷精整。其中坯料加熱到 600～800 ℃溫度范圍內(nèi)成形而成的鍛件稱之為溫鍛件，并且溫鍛件至冷精整的成形過(guò)程是最關(guān)鍵的工藝，見圖1，在后續(xù)機(jī)加工探傷過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在冷精整件底部壁薄處出現(xiàn)裂紋，見圖2。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)裂紋從內(nèi)壁開始，沿一定的上升角度擴(kuò)展，但裂紋沒有穿透薄壁。

圖1 三銷軸叉冷精整成形工藝Fig.1 Process of cold forming for Tulip

圖2 裂紋位置及放大Fig.2 Crack location and its enlargement

2 工藝設(shè)計(jì)方案

2.1 改進(jìn)前方案

改進(jìn)前的溫鍛件見圖 3a，在三銷軸叉溫鍛件頭部的末端沿周向有均勻一圈的 6o入模角，且該溫鍛件碗底較厚，內(nèi)腔的基準(zhǔn)平面至入模角的上端距離為5 mm。冷整形裝配圖見圖4，冷整形時(shí)，沖頭的頭部先接觸三銷軸叉的型腔底部，實(shí)施往下運(yùn)動(dòng)的拉深力，同時(shí)利用已經(jīng)變薄的工件部分將拉力傳入變形區(qū)。生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)在整形開始時(shí)三銷軸叉底部出現(xiàn)裂紋，見圖2。

圖3 溫鍛件Fig.3 Warm forming part

圖4 冷整形裝配圖Fig.4 Assembly of cold forming

2.2 改進(jìn)后方案

改進(jìn)后的溫鍛件見圖 3b，根據(jù)三銷軸叉頭部的異形結(jié)構(gòu)及壁厚的不均勻性，設(shè)計(jì)了不同的入模角，入模角的起始點(diǎn)位于內(nèi)腔的基準(zhǔn)平面以上，內(nèi)腔的基準(zhǔn)平面至入模角的上端距離為 7.3 mm，使冷整形的變形在內(nèi)腔的基準(zhǔn)平面之上進(jìn)行。

3 模擬結(jié)果分析

針對(duì)兩種不同形狀的預(yù)成形溫鍛件，用相同冷精整模具進(jìn)行冷精整，冷精整成形后分別對(duì)這兩種精整件底部區(qū)域的成形力、應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行分析。改進(jìn)前和改進(jìn)后的行程載荷曲線分別見圖5a和5b?？梢钥闯?，改進(jìn)后溫度件冷精整的載荷明顯比改進(jìn)前溫度件冷精整的載荷低，這是因?yàn)槔湔伍_始發(fā)生的區(qū)域在碗底厚度的中間位置，沖頭往下運(yùn)動(dòng)時(shí)，三銷軸叉溫鍛件入模角區(qū)域完全貼牢凹模導(dǎo)向角區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力；而改進(jìn)后的溫鍛件，由于溫鍛件結(jié)構(gòu)有不同的入模角，材料流動(dòng)較均勻，入模角的起始點(diǎn)位于內(nèi)腔的基準(zhǔn)平面以上，故產(chǎn)生的載荷明顯要比改進(jìn)前溫鍛件冷整形時(shí)的載荷要小。

等效應(yīng)力（應(yīng)變）代表復(fù)雜應(yīng)力（應(yīng)變）折合成單向應(yīng)力狀態(tài)的當(dāng)量應(yīng)力（應(yīng)變），可用其度量塑性變形過(guò)程中受力與變形的程度。溫鍛件改進(jìn)前與改進(jìn)后的等效應(yīng)變場(chǎng)見圖6，溫鍛件改進(jìn)前與改進(jìn)后的等效力變場(chǎng)見圖7?？梢杂^察到，改進(jìn)前的溫鍛件受力部分其應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)是不均勻的，主要是冷整形開始發(fā)生的區(qū)域在碗底厚度的中間位置，且溫鍛件入模角區(qū)域不完全貼牢凹模導(dǎo)向角區(qū)域，產(chǎn)生很大的摩擦力，因而此處受力最大，變形最劇烈。變形不均勻的原因一方面是溫鍛件和凹模接觸面存在極大的摩擦力，另一方面與溫鍛件本身的形狀、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。在冷整形階段，隨著入模角的變化，變薄拉深成形力也發(fā)生變化[7]。

圖5 行程-載荷Fig.5 Stroke-load

圖6 等效應(yīng)變Fig.6 Equivalent strain

圖7 等效應(yīng)力Fig.7 Equivalent stress

4 工程實(shí)踐

根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果并制定改進(jìn)的溫鍛件設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。完成溫鍛件制造后，進(jìn)行冷精整，為保證流線連續(xù)并避免裂紋產(chǎn)生，進(jìn)行了低倍的金屬纖維組織[8]（亦稱金屬流線）檢驗(yàn)。改進(jìn)前的溫鍛件冷精整后內(nèi)腔底部薄壁處的流線見圖 8a，可以觀察到，裂紋兩端金屬流線的密度不同，下端流線較稀，上端流線較密，表明上下兩端的金屬流線變形程度不同。這是因?yàn)樵趧傞_始冷精整時(shí)，薄壁的外側(cè)受到很大的摩擦阻力，外側(cè)的金屬幾乎不流動(dòng)，而內(nèi)側(cè)的金屬在沖頭的作用下往下流動(dòng)，當(dāng)此應(yīng)力大于界面結(jié)合力時(shí)，導(dǎo)致流線被拉斷，裂紋產(chǎn)生。改進(jìn)后的溫鍛件冷精整后內(nèi)腔底部薄壁處的流線見圖 8b，金屬流線趨向一致，密度較均勻，沒有裂紋產(chǎn)生。

5 結(jié)論

1）三銷軸叉精整件底部裂紋產(chǎn)生的原因是冷整形開始點(diǎn)位于碗底厚度的中間，會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，溫鍛件用同一入模角但壁厚不一樣，導(dǎo)致金屬流動(dòng)時(shí)變形的不均勻性加大，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

2）數(shù)值模擬與工程實(shí)踐結(jié)果表明，冷整形開始點(diǎn)位于碗底厚度的上端，且采用不同的入模角，可有效降低成形力，同時(shí)可有效防止裂紋產(chǎn)生。

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Generation and Avoiding of Cracks on Bottom of Tulip during Cold-forming

WANG De-lin,LU You-gen,WU Bing
(Manufacturing Engineering Department, Shanghai GKN HUAYU Driveline Systems Co., Ltd., Shanghai 201315, China)

Tulip cold-forming forging part is a key component of constant velocity drive shaft of car. The process of this kind of part is combined forming with warm pre-forming and cold-forming due to the complexity of interior and exterior configuration and high dimension accuracy. There is often a crack on thin wall near bottom of interior configuration during Tulip cold-forming due to unoptimizable warm pre-forming part. The warm pre-forming part was optimized and different entering die degrees starting and ending in the interior base plate were designed by analyzing changes of forming force, stress and strain in forming of bottom of interior configuration during Tulip cold-forming with the numerical simulation technique. Engineering trial with improved pre-forming forging part has proved that the crack of bottom was avoided and the flow was continues. The improved warm pre-forming part via cold-sizing had high quality. The crack can be effectively prevented.

tulip; cold-forming; crack; pre-forming; entering die degree

2017-11-07

王德林（1978—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闇?、冷溫精密成形技術(shù)。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.024

TG316

A

1674-6457(2018)01-0177-04