VL星形套成形工藝及模具設(shè)計

王超

(江蘇大洋精鍛有限公司, 江蘇鹽城 224100)

0 引言

VL形滾道球籠等速萬向節(jié)由星形套、球籠、保持架以及鋼球組成。其中，星形套和球籠的滾道中心線與軸線不平衡，是以相同角度相對于軸線向兩側(cè)偏移，且相鄰兩條滾道偏移方向相反，即成“V”形。VL形滾道球籠等速萬向節(jié)的傳遞動力原理與直溝道球籠的等速萬向節(jié)相同，但VL形球籠等速萬向節(jié)在傳動過程中摩擦損失更小， 傳動效率更高，且工件工作壽命更長[1-2]。

VL星形套由于相鄰溝道成“V”形，非上下直溝道形狀，則鍛造工藝無法采用普通上下沖程式模具結(jié)構(gòu)進行退料，文中主要是針對VL星形套的鍛造工藝開發(fā)和模具設(shè)計，以完成產(chǎn)品批產(chǎn)。

1 工藝設(shè)計

星形套的鍛造工藝：制坯—球化退火—拋丸—表面潤滑處理—鍛造成形—鉆孔—機加工。VL星形套的鍛造工藝與普通星形套區(qū)別就在于鍛造成形的模具結(jié)構(gòu)和毛坯的退料形式。如圖1所示為VL星形套的成品三維示意圖，其“V”形的斜溝道需鍛造成形，外圓、端面以及內(nèi)孔徑可通過機加工完成。文中的VL星形套使用的原材料為20CrMnTi。

圖1 VL星形套成品示意

2 模具設(shè)計

如圖2所示為根據(jù)VL星形套的成品毛坯設(shè)計的鍛造毛坯三維示意圖。

圖2 VL星形套毛坯示意

根據(jù)毛坯圖的形狀，毛坯的“V”形斜滾道成形若使用一體式模具結(jié)構(gòu)，在模腔中進行上下直接退料會與模具產(chǎn)生干涉。所以對于VL星形套的成形主要考慮毛坯的退料形式。成形時，6個斜滾道的模具參與變形；退料時，斜滾道的成形模具可以退回，不干涉毛坯的退料。則可將VL星形套的6個斜滾道設(shè)計成分體式模具結(jié)構(gòu)，仍使用上下沖程式的模架，上模向下運動使6個斜滾道模具先行閉合，通過上、下沖頭使毛坯在模腔內(nèi)成形。上模回程，則對6個分體式的斜滾道模具使用彈簧將其回位，給予毛坯退料留足空間，然后通過下沖頭進行退料。

根據(jù)毛坯的斜滾道和外圓的尺寸設(shè)計6個斜滾道模具：3個同方向，3個反方向。要使6個分體式模具無干涉無間隙的閉合，在斜滾道頭部要存在一定的角度。 VL星形套斜滾道分體式模具示意圖如圖3所示，斜滾道的方向?qū)ΨQ。

圖3 VL星形套斜滾道模具示意

斜滾道模具閉合過程中，要考慮單個斜滾道模具能夠沿著固定的方向移動。需要在每個斜滾道模具中間設(shè)置限位塊，確保斜滾道模具在閉合過程中不發(fā)生偏移。根據(jù)VL星形套的滾道形狀，將6個斜滾道模具、限位塊進行裝模，模具示意圖如圖4所示。

圖4 斜滾道模具和限位塊裝配示意

上模向下等速移動時，上模需要有豎直方向的斜壓力塊推6個斜滾道模具，使其向內(nèi)收縮閉合。在圖3和圖4中可以看出，在6個斜滾道模具在其末端設(shè)計成45°，上模內(nèi)的斜壓力塊以相同的角度與其接觸，上模在向下移動時，6個斜滾道模具在限位塊的作用下以等速向內(nèi)閉合，閉合后在通過上?；驂毫C的向下移動，上、下沖頭使毛坯在6個斜滾道模具內(nèi)腔中成形。上模的設(shè)計示意圖如圖5所示。

圖5 上模示意

將6個斜滾道模具、限位塊、下沖頭設(shè)計成下模，與上模進行配合，其裝配示意圖如圖6所示。

圖6 上下模裝配示意

3 有限元模擬及結(jié)果分析

根據(jù)毛坯的尺寸和設(shè)計的上下模結(jié)構(gòu)，選擇合適的棒料直徑和長度，使用Deform軟件進行有限元模擬。由于使用的Deform V12版本材料庫中沒有20CrMnTi材質(zhì)，則選用相近的DIN20MnCr5(20～800 ℃)，溫度設(shè)置為20 ℃。

VL星形套的成形原理：6個斜滾道模具閉合，然后上、下沖頭分別向下、向上運動，將棒料成形在模腔內(nèi)。則在有限元模擬中，要設(shè)置兩個運動模具。上、下沖頭作為運動模具，相同的速度，向相反的方向運動，6個斜滾道模具閉合后最為一個整體為靜止?fàn)顟B(tài)。VL星形套一次成形的有限元模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 有限元模擬結(jié)果

從圖7有限元模擬的結(jié)果可以看出，毛坯的斜滾道及斜滾道的外圓圓角飽滿均勻。毛坯在成形所受的應(yīng)力應(yīng)變在斜滾道和斜滾道外圓均比較均勻。從圖7中荷重與行程曲線可以看出，整個毛坯成形過程荷重不斷增大。在斜滾道及斜滾道外圓開始成形飽滿時，荷重增長速率較大，最大荷重約為3 250 kN。

4 生產(chǎn)試驗

按照以上設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)及形狀，設(shè)計的成形裝配圖如圖8所示。

圖8 成形裝配

根據(jù)VL星形套的尺寸，設(shè)計模具尺寸。6個斜滾道模具使用瑞士米克朗五軸高速銑加工，在進行研磨拋光，確保模具斜滾道的表面粗糙度達(dá)到Ra0.05 μm以內(nèi)，再進行表面涂層處理，確保表面潤滑和強度。其他模具按照正常的加工方式，經(jīng)表面處理確保各模具之間緊密配合。

由于是棒料直接成形，變形量較大。在成形前對棒料進行球化退火。采用(750±5) ℃保溫4 h和(680±5) ℃保溫5 h的球化退火工藝[3]，其棒料的球化率達(dá)到了90%以上，確保斜滾道成形的飽滿均勻。

根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，VL星形套一次成形的最大荷重約為3 250 kN，選用日本小松8 000 kN壓力機。由于VL成形，上下模閉合，在閉合過程上模的斜壓力塊將6個斜滾道模具閉合。上模繼續(xù)下壓，上模的活塞氣缸和下模的氮氣彈簧將上下模出于居中的位置，再通過壓機的下行，上下沖頭將棒料在斜滾道模腔內(nèi)成形。在成形前，上模的活塞氣缸和下模的氮氣彈簧空模時壓力約為2 900 kN，合計為6 150 kN，完全在小松8 000 kN壓力機的范圍內(nèi)。

根據(jù)實際生產(chǎn)和模架及模具的裝配，按照圖8裝配圖進行裝配，進行多次試生產(chǎn)和優(yōu)化，最終生產(chǎn)出圖9所示的VL星形套毛坯，斜滾道以斜滾道外圓的飽滿度與以上有限元模擬結(jié)果一致。所有尺寸經(jīng)三坐標(biāo)檢測全部合格。最后，根據(jù)成品尺寸進行簡單的機加工，獲得如圖10所示的成品。

圖9 VL星形套毛坯

圖10 VL星形套成品

5 結(jié)論

VL星形套根據(jù)滾道的形狀和位置，采用一次成形工藝。成形模具設(shè)計成分體式，在6個斜滾道模具先閉合，然后通過上下沖頭的擠壓是棒料成形。

使用DIN20MnCr5代替20CrMnTi進行有限元模擬，結(jié)果顯示VL星形套毛坯的斜滾道及斜滾道的外圓圓角飽滿均勻，成形過程荷重不斷增大，最大荷重約為3 250 kN。模具空模時壓力約為2 900 kN，可以選用日本小松8 000 kN壓力機。

通過生產(chǎn)試驗，分體式的斜滾道模具能夠滿足毛坯的一次成形。生產(chǎn)的毛坯符合有限元模擬的結(jié)果，順利完成批產(chǎn)。