傳動(dòng)軸滑動(dòng)叉鍛造成形工藝優(yōu)化

文/郭艷珺·許昌中興鍛造有限公司

針對(duì)滑動(dòng)叉的模具結(jié)構(gòu)，制坯模具采用組合式凹模鑲塊結(jié)構(gòu)，節(jié)約模具材料和費(fèi)用；預(yù)鍛和終鍛模具改用機(jī)械壓力機(jī)用模具，滑塊導(dǎo)向精度高，保證了鍛件的形狀和尺寸精度。采用優(yōu)化后的成形工藝進(jìn)行生產(chǎn)試制，單個(gè)滑動(dòng)叉鍛件料耗減少0.20kg，材料利用率由原來的82%提高到90%，采用局部加熱方式，電加熱損耗降低，模具壽命提高2倍左右。

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車性能不斷提高，對(duì)汽車零部件的質(zhì)量和成本提出了更高的要求，帶動(dòng)汽車零部件鍛造行業(yè)朝著自動(dòng)化、高效和節(jié)能環(huán)保等方向發(fā)展。汽車傳動(dòng)軸上的叉形件數(shù)量大、品種多，常見的叉形件有萬向節(jié)叉、軸叉、突緣叉和滑動(dòng)叉等，而滑動(dòng)叉與十字軸、萬向節(jié)叉或突緣叉、軸管等連接構(gòu)成汽車傳動(dòng)軸，廣泛應(yīng)用于轎車、裝載車和起重機(jī)等各種車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)多數(shù)鍛造企業(yè)采用水平分模的開式模鍛工藝生產(chǎn)傳動(dòng)軸叉形類鍛件，但存在材料利用率低、電加熱損耗大和產(chǎn)品成本高等諸多問題。由于滑動(dòng)叉鍛件桿部較長，通常需要制坯工藝，與短軸類叉形鍛件成形工藝有所不同，對(duì)于如何提高長軸類叉形鍛件的材料利用率，國內(nèi)的研究報(bào)道還很少見。雖有相關(guān)文獻(xiàn)提出了立式預(yù)鍛、桿部熱擠成形的預(yù)鍛成形方法，能夠有效提高長軸類叉形鍛件材料利用率、生產(chǎn)效率和模具壽命等，但存在的問題是長軸類叉桿部需要設(shè)計(jì)拔模斜度，而且鍛件出模困難，模具需要額外設(shè)計(jì)頂出裝置，同時(shí)鍛件采用全加熱方式，電加熱損耗高等問題并未得到有效解決。因此，研究探索滑動(dòng)叉鍛件的先進(jìn)鍛造工藝技術(shù)，對(duì)我國汽車零部件行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

傳統(tǒng)錘鍛工藝生產(chǎn)出的滑動(dòng)叉鍛件如圖1所示，針對(duì)滑動(dòng)叉?zhèn)鹘y(tǒng)錘鍛工藝中存在的材料利用率低、電加熱損耗大、模具壽命低和產(chǎn)品成本高等問題和不足，本文提出了平鍛制坯和熱模鍛相結(jié)合的聯(lián)合鍛造成形工藝方法，并通過有限元模擬技術(shù)和實(shí)際試制生產(chǎn)驗(yàn)證，最終生產(chǎn)出耗能低、耗料低、生產(chǎn)效率高的合格鍛件。

圖1 滑動(dòng)叉?zhèn)鹘y(tǒng)錘鍛件

圖2 滑動(dòng)叉鍛件簡圖

圖3 滑動(dòng)叉模具結(jié)構(gòu)圖

工藝分析及優(yōu)化

傳動(dòng)軸滑動(dòng)叉鍛件形狀基本相同，桿部細(xì)長，頭部分叉，屬于叉形類鍛件。本文以某型號(hào)滑動(dòng)叉鍛件為例，鍛件簡圖如圖2所示。材料為45鋼，鍛件質(zhì)量重約1.8kg。鍛件長172mm，桿部直徑為φ38mm；頭部叉口內(nèi)寬57mm，并存在一定斜度。通過工藝分析和計(jì)算，該型號(hào)滑動(dòng)叉鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)為0.278，形狀較復(fù)雜，且鍛件桿部較長，需要制坯工藝，其傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝采用模鍛錘設(shè)備，錘鍛模具結(jié)構(gòu)如圖3a所示，選用規(guī)格直徑為φ55mm坯料才能滿足叉部成形要求，且桿部坯料需多次壓扁成形?；瑒?dòng)叉鍛件的傳統(tǒng)錘鍛工藝流程為：下料→感應(yīng)加熱→錘鍛壓扁制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊等?；瑒?dòng)叉桿部壓扁量公差波動(dòng)性大，容易造成尺寸超差，需增加下料重量來彌補(bǔ)由于放料偏差所造成的廢品問題；同時(shí)錘鍛工藝具有模具成本高、材料利用率低、工作環(huán)境較差和設(shè)備噪聲大等缺點(diǎn)。

為解決滑動(dòng)叉?zhèn)鹘y(tǒng)錘鍛工藝中存在的上述問題，并保證鍛件完全充滿型腔，采用“平鍛制坯，熱模鍛預(yù)終成形”的聯(lián)合鍛造工藝，其終鍛模具結(jié)構(gòu)如圖3b所示。該鍛造工藝選用規(guī)格與滑動(dòng)叉桿部直徑相等的圓形棒料。在成形過程中，鍛件桿部不發(fā)生變形，所以采用局部感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)鍛件叉部坯料進(jìn)行加熱即可，電加熱損耗顯著降低，而且終鍛件桿部少無毛邊，能夠有效提高材料利用率；同時(shí)采用平鍛鐓粗制坯工藝，制坯形狀完全由模具型腔決定，制坯精度得到提高。同時(shí)對(duì)改進(jìn)后的成形工藝建立了有限元模擬，優(yōu)化制坯件尺寸和形狀，減少試制成本和修模次數(shù)。

有限元模擬

有限元模型參數(shù)設(shè)置

本文采用熱力耦合的剛粘塑性有限元模型，忽略滑動(dòng)叉成形過程中的彈性變形。滑動(dòng)叉屬于軸對(duì)稱鍛件，故本文選用1/2模型為研究對(duì)象，以降低模擬計(jì)算量。模擬分析過程中坯料材料選用45#鋼，始鍛溫度為1050℃，定義為塑性體；模具材料選用H13鋼，模具預(yù)熱溫度為250℃，不考慮模具變形；模具與坯料之間采用石墨乳潤滑，坯料與模具之間采用剪切摩擦類型，摩擦系數(shù)選為0.3；由于坯料、模具與周圍環(huán)境存在熱交換，坯料與模具之間熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為11N/s/mm/℃；待建立好坯料和模具的三維有限元模型后進(jìn)行成形模擬即可。

平鍛制坯

通過前面對(duì)滑動(dòng)叉成形工藝進(jìn)行分析，改進(jìn)后的制坯工序?yàn)槠藉懼婆鳎@主要由坯料局部成形方式?jīng)Q定。圖4a為滑動(dòng)叉制坯工序結(jié)束時(shí)的等效應(yīng)力分布圖，坯料頭部的成形過程類似于圓棒料簡單的鐓粗過程，且坯料頭部等效應(yīng)力為90MPa左右，明顯大于桿部的等效應(yīng)力。由圖5a分析可知，隨著坯料頭部鐓粗過程的進(jìn)行，制坯工序所需成形力是逐漸上升的，得到制坯工序最大成形力為9.22×104N，故實(shí)際選擇400t平鍛設(shè)備即能滿足生產(chǎn)要求。

圖4 滑動(dòng)叉等效應(yīng)力分布圖

圖5 滑動(dòng)叉載荷—行程曲線

預(yù)鍛

預(yù)鍛在滑動(dòng)叉成形工藝中的主要作用是利用預(yù)鍛型腔的劈料臺(tái)成形出滑動(dòng)叉鍛件頭部的叉形和中間過渡法蘭的聚料。在該工序中，制坯后的鍛件材料在預(yù)鍛模腔中進(jìn)行分配，該工序設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定能否生產(chǎn)出合格的滑動(dòng)叉鍛件。通過數(shù)值模擬，可以直觀地了解坯料預(yù)鍛過程中金屬流動(dòng)情況、等效應(yīng)力、應(yīng)變和成形載荷變化等情況，便于工序優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4b為滑動(dòng)叉預(yù)鍛工序結(jié)束時(shí)的等效應(yīng)力分布圖，鍛件兩叉部內(nèi)檔處的坯料等效應(yīng)力大于叉部本身的等效應(yīng)力，桿部的等效應(yīng)力最小，且滑動(dòng)叉鍛件本身各處等效應(yīng)力相接近，沒有出現(xiàn)突變情況。圖5b所示為鍛件預(yù)鍛過程成形力的變化情況，可知其成形過程明顯分為三個(gè)階段：頭部坯料劈料階段、叉部填充階段和飛邊形成階段，飛邊行程結(jié)束時(shí)成形載荷最大，此時(shí)載荷為8.89×106N。

終鍛

終鍛是滑動(dòng)叉鍛件成形工藝的最后一個(gè)工序，預(yù)鍛件沒有充滿的部位在這里完成最終成形，故終鍛工序決定著滑動(dòng)叉終鍛件的尺寸和形狀。

圖4c為滑動(dòng)叉終鍛工序結(jié)束時(shí)的等效應(yīng)力分布圖，終鍛件本體等效應(yīng)力分布規(guī)律與預(yù)鍛件的相似，均是叉部內(nèi)檔坯料應(yīng)力最大而桿部等效應(yīng)力最小，叉部本身等效應(yīng)力次之，這主要是因?yàn)樵诔尚芜^程中，在成形力作用下叉部內(nèi)檔坯料向叉部和過渡法蘭處流動(dòng)，而桿部基本不發(fā)生塑性變形，從結(jié)果可以看出，鍛件完全充滿，叉部內(nèi)檔飛邊較頭部其余部位大。圖5c為鍛件終鍛過程成形力的變化情況，可知終鍛過程的成形載荷變化趨勢與預(yù)鍛階段相同，該階段最大成形載荷為1.09×107N。

表1 傳統(tǒng)錘鍛工藝和聯(lián)合鍛造經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

圖6 滑動(dòng)叉鍛件實(shí)物

工藝對(duì)比分析

生產(chǎn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證滑動(dòng)叉聯(lián)合鍛造工藝能否成形出傳動(dòng)軸滑動(dòng)叉鍛件，因此根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)模具并實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6a和圖6b分別為終鍛工序后和切邊后滑動(dòng)叉鍛件實(shí)物圖。圖6a為滑動(dòng)叉終鍛件實(shí)物圖，金屬流動(dòng)情況與模擬結(jié)果(圖4c）基本吻合；從圖6b可以看出，切邊后的鍛件叉部和桿部過渡法蘭區(qū)域充滿良好，且鍛件本體無折疊、壓傷等缺陷存在，經(jīng)檢驗(yàn)，符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

滑動(dòng)叉?zhèn)鹘y(tǒng)錘鍛工藝與優(yōu)化后的聯(lián)合鍛造工藝對(duì)比結(jié)果見表1。由表1可知，滑動(dòng)叉聯(lián)合鍛造工藝在模具壽命、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本等方面都有顯著地改進(jìn)和提升，故有著明顯的經(jīng)濟(jì)效益和參考意義。

結(jié)論

采用聯(lián)合鍛造工藝已成功生產(chǎn)出合格的滑動(dòng)叉鍛件，為傳動(dòng)軸滑動(dòng)叉鍛件成形提供了有益的參考，此工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)滑動(dòng)叉鍛件下料重量減少，材料利用率由原來的82%提高到90%；(2)坯料采用局部加熱方式，電加熱損耗降低；(3)聯(lián)合鍛造工藝的鍛造模具壽命提高了2倍左右；(4)桿部單邊機(jī)加工余量減少0.5mm，且桿部尾端面不存在拔模斜度，便于機(jī)加工定位，提高了機(jī)加工生產(chǎn)效率。