三銷軸叉溫鍛工藝優(yōu)化及數(shù)值模擬

王德林，楊 榮

(上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限公司 制造工程部，上海 201315)

三銷軸叉是汽車等速傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件。在汽車的動力傳遞期間，三銷軸叉需要承受較大的力矩，且傳動精度要求高，其頭部內(nèi)外腔表面根據(jù)產(chǎn)品使用要求不需要任何加工就能達(dá)到最終產(chǎn)品的要求，且內(nèi)腔球道處的尺寸公差要求為≤0.1 mm。若對三銷軸叉鍛件直接進(jìn)行單純的溫鍛成形，則頭部內(nèi)外腔尺寸達(dá)不到產(chǎn)品使用要求；若對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，成形量大，單純的冷擠壓成形三銷軸叉很困難。目前，中國、日本和歐美均采用溫、冷精鍛復(fù)合成形技術(shù)來生產(chǎn)該鍛件，鍛件精度可達(dá)到7～9級[1-2]。近幾年來，隨著汽車需求量的爆發(fā)式增加，汽車等速傳動軸上三銷軸叉零件的需求量越來越大，這就需要有穩(wěn)定的工藝、高效的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)零件的批量化大生產(chǎn)。

本文采用數(shù)值模擬[3-5]與工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析三銷軸叉溫鍛反擠頭部跳動超差產(chǎn)生的根本原因，研究材料流動規(guī)律，優(yōu)化預(yù)成形工藝，避免在連續(xù)生產(chǎn)中頭部產(chǎn)生跳動超差。為該類復(fù)雜精鍛件溫、冷精鍛復(fù)合成形工藝的制定和模具設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 精整件零件分析及工藝制定

三銷軸叉是汽車等速傳動軸中的移動端零件，該零件和內(nèi)部三銷節(jié)精確的間隙配合通過相互移動而達(dá)到平穩(wěn)轉(zhuǎn)向功能。通常，三銷軸叉精鍛件所用材料為中碳鋼，牌號為XC45，其化學(xué)成分見表1。

表1 XC45的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

三銷軸叉精鍛件如圖1所示，其形狀復(fù)雜、精度要求高，桿部為階梯形，頭部內(nèi)輪廓有φ51.6 mm的圓柱，且沿軸向分布3處均勻的圓弧形球道。頭部外輪廓相對于頭部內(nèi)柱面的最大跳動量為0.8 mm。

圖1 三銷軸叉精鍛件

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→點(diǎn)墩→正擠柄部→頭部墩粗→反擠頭部成形→拋丸→冷精整。溫鍛成形工步如圖2所示，其中溫鍛工步中的頭部墩粗、反擠頭部成形以及冷精整成形是最關(guān)鍵的工藝。采用這樣的溫、冷精鍛復(fù)合成形工藝，在五工位溫鍛壓力機(jī)上連續(xù)鍛造，鍛件精度和生產(chǎn)效率都有顯著提高[6]。冷精整件在測量過程中發(fā)現(xiàn)，頭部大外圓跳動超出圖樣要求，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)溫鍛成形中反擠工位的溫鍛件頭部跳動量與冷精整后的鍛件頭部跳動量相當(dāng)。

圖2 三銷軸叉溫鍛成形工步圖

2 工藝設(shè)計(jì)方案

2.1 改進(jìn)前方案

改進(jìn)前的溫鍛件墩粗簡圖如圖3所示。墩粗工位的頭部內(nèi)腔表面呈波浪形，與第4工位的反擠鍛件頭部內(nèi)腔形狀不一致，墩粗工位的頭部外腔周向異形尺寸分別比第4工位的反擠鍛件頭部外腔周向異形尺寸小，且兩者的差值為0.6～0.8 mm。在設(shè)計(jì)墩粗工位的沖頭和凹模時，墩粗成形裝配圖如圖4所示，沖頭和凹模的導(dǎo)向間隙為0.6～0.8 mm。這樣墩粗工位的鍛件頭部跳動可能會達(dá)到0.8 mm左右，反擠工位的鍛件頭部跳動可能會在1 mm以上。經(jīng)冷精整后，精鍛件頭部跳動會達(dá)到1 mm以上，不符合產(chǎn)品要求。

圖3 改進(jìn)前的頭部墩粗圖

圖4 墩粗成形裝配圖

2.2 改進(jìn)后方案

改進(jìn)后的溫鍛件墩粗簡圖如圖5所示。墩粗工位的頭部內(nèi)腔表面形狀與第4工位的反擠鍛件頭部內(nèi)腔形狀相同，墩粗工位的頭部外腔周向異形尺寸比第4工位的反擠鍛件頭部外腔周向異形尺寸小，兩者的差值為0.4～0.5 mm。在設(shè)計(jì)墩粗工位的沖頭和凹模時，沖頭和凹模的導(dǎo)向間隙為0.4～0.5 mm，這樣，使墩粗工位的鍛件頭部跳動在0.5 mm之內(nèi)，反擠工位的鍛件頭部跳動在1 mm之內(nèi)。

圖5 改進(jìn)后的頭部墩粗圖

3 模擬結(jié)果分析

針對2種不同頭部墩粗溫鍛件，在相同的加工條件下，溫鍛件從點(diǎn)墩、正擠柄部、頭部墩粗和反擠共4個工位成形后，對2種溫鍛件進(jìn)行溫度場、應(yīng)力場和應(yīng)變場分析。

3.1 溫度場分析

改進(jìn)前、后的溫鍛件溫度場分別如圖6和圖7所示。從圖6和圖7可以看出，改進(jìn)后鍛件最高溫度較改進(jìn)前鍛件最高溫度要低，這是因?yàn)樵诘?工位對頭部墩粗后的零件進(jìn)行反擠時，預(yù)成形材料分布不均而導(dǎo)致劇烈變形造成的；同時，三銷軸叉鍛件內(nèi)部溫度與外部溫度相比較高，即工件與沖頭接觸的部位溫度高于工件與凹模接觸的位置，其中以內(nèi)部型腔的小圓弧處表面的溫度最高。

圖6 改進(jìn)前的溫鍛件溫度場 圖7 改進(jìn)后的溫鍛件溫度場

3.2 應(yīng)力場和應(yīng)變場分析

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)，可用其度量塑形變形過程中受力與變形的程度。改進(jìn)前、后頭部墩粗溫鍛件經(jīng)反擠壓后的等效應(yīng)變場分別如圖8和圖9所示，改進(jìn)前、后頭部墩粗溫鍛件經(jīng)反擠壓后的等效應(yīng)力場分別如圖10和圖11所示?？梢杂^察到，改進(jìn)前的頭部墩粗溫鍛件在反擠壓后受力部分其應(yīng)力場和應(yīng)變場是不均勻的，主要是頭部墩粗后材料沒有被對稱的均勻分布，從而在反擠成形工序中，溫鍛件沒有實(shí)現(xiàn)很好的充填效果。因此，改進(jìn)前的頭部墩粗溫鍛件比改進(jìn)后的頭部墩粗溫鍛件在反擠成形工序中，溫鍛件受力較大，變形較劇烈。

圖8 改進(jìn)前的溫鍛件等效應(yīng)變場 圖9 改進(jìn)后的溫鍛件等效應(yīng)變場

圖10 改進(jìn)前的溫鍛件等效應(yīng)力場 圖11 改進(jìn)后的溫鍛件等效應(yīng)力場

4 工藝驗(yàn)證

本課題采用的是五工位溫鍛技術(shù)，在高溫條件下坯料金屬的變形抗力較低，適合采用多工位機(jī)械壓力機(jī)進(jìn)行鍛造。其中，第4工位機(jī)械壓力機(jī)噸位的選擇主要依據(jù)鍛造的關(guān)鍵工序反擠成形力F。由于該異形溫鍛件頭部形狀接近于圓形，可根據(jù)基于三點(diǎn)迭代的聚類圓擬合算法[7]算出圓的半徑，根據(jù)Dipper理論[8]，第3工位頭部墩粗至第4工位反擠這個成形過程可以當(dāng)作雙墩粗過程來計(jì)算：

式中，μ為摩擦因數(shù)；d1為反擠工位頭部的內(nèi)腔直徑；kf1為軸向擠壓材料的變形抗力；kf2為徑向擠壓材料的變形抗力；h0為墩粗工位的坯料厚度；s為擠壓工位的壁厚。

鍛件材料為XC45，根據(jù)表[9]可查得，800 ℃時45鋼的kf1=1 100 MPa，kf2=1 050 MPa。 根據(jù)體積不變規(guī)律，把d1=65 mm，h0=29.665 mm，s=6.1 mm，μ=0.08代入上式，計(jì)算得F=1 224.6 t。因此，在企業(yè)的反擠公稱壓力為1 500 t的壓力機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)該三銷軸叉的反擠成形。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果制定改進(jìn)的溫鍛件設(shè)計(jì)方案，完成溫鍛件制造后，進(jìn)行冷精整，為保證流線連續(xù)與避免裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)行了低倍的金屬纖維組織[10](亦稱金屬流線)檢驗(yàn)。改進(jìn)后的金屬流線如圖12所示，從圖12可以觀察到，鍛件內(nèi)壁和外壁的金屬流線密度不同，內(nèi)壁流線較稀，外壁流線較密，表明內(nèi)外壁的金屬流線變形程度不同；柄部過渡區(qū)域流線連續(xù)，沒有斷續(xù)現(xiàn)象發(fā)生，有利于加工后的零件強(qiáng)度。

圖12 改進(jìn)后的金屬流線

對連續(xù)生產(chǎn)溫鍛件控溫冷卻后進(jìn)行高倍組織檢驗(yàn)，金屬組織為片狀珠光體+鐵素體(見圖13)，滿足零件的性能要求。

圖13 改進(jìn)后的金屬顯微組織

用改進(jìn)后的溫鍛工藝在五工位自動生產(chǎn)線上連續(xù)生產(chǎn)5萬個鍛件，沒有發(fā)生因頭部跳動超差而停機(jī)進(jìn)行調(diào)整的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)通過對改進(jìn)工藝后的溫鍛件進(jìn)行金屬流線和顯微組織分析可知，溫鍛件符合產(chǎn)品使用要求。

2)多工步三銷軸叉溫鍛成形中，墩粗工位的坯料形狀會影響反擠工位零件的頭部跳動，通過墩粗工位坯料的優(yōu)化后，可實(shí)現(xiàn)在自動壓機(jī)上連續(xù)生產(chǎn)鍛件，并且生產(chǎn)的鍛件頭部跳動滿足后續(xù)冷精整工藝要求。

3)數(shù)值模擬與工藝驗(yàn)證結(jié)果表明，在反擠工序中，墩粗坯料改進(jìn)后比墩粗坯料改進(jìn)前擠壓溫度要低，溫鍛件受力較小，變形較均勻。