多向模鍛工藝在汽車叉軸鍛造的應(yīng)用

文/戴偉燕·球豹閥門有限公司

胡艷軍·中冶重工(唐山)有限公司

叉軸類零件作為傳遞動力的重要零件，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械等領(lǐng)域，其作用是與變速箱、驅(qū)動橋等一起將動力傳遞給車輪。目前中國汽車年產(chǎn)銷量近3000 萬臺，作為動力傳動的關(guān)鍵零部件，需求量巨大。

圖1 是某機(jī)型叉軸零件圖，由于叉軸類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，截面沿軸向變化較大，目前傳統(tǒng)的叉軸鍛造多采用模鍛錘生產(chǎn)，工藝路線為：下料→加熱→制坯→加熱→預(yù)鍛→終鍛→切邊。傳統(tǒng)的鍛造工藝需要2 次加熱、4 道工序，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低，同時還會產(chǎn)生大量的切邊廢料和氧化燒損，為了解決這些問題，我公司對叉軸的鍛造工藝進(jìn)行了升級研發(fā)。

鍛造工藝制定

由于傳統(tǒng)工藝火次、工序多，飛邊廢料大，能源消耗和成本較高，我公司著重從解決這幾個問題上制定鍛造工藝，最終選擇采用多向模鍛工藝，減少鍛造工序和投料重量，降低能源消耗。

多向模鍛是近幾年興起的鍛造新工藝，它是在模鍛工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級，通過多向模鍛液壓機(jī)實現(xiàn)的一種模鍛和擠壓復(fù)合的鍛造工藝。相比傳統(tǒng)的模鍛工藝，多向模鍛工藝可以一火一次完成復(fù)雜鍛件的無飛邊鍛造，鍛件具有投料重量輕，成形質(zhì)量好，成形精度高，毛坯形狀更復(fù)雜、更接近成品形狀等優(yōu)點。但是多向模鍛工藝的成形模具結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，模具成形動作更復(fù)雜，對工藝設(shè)計和參數(shù)控制要求更高。

根據(jù)多向模鍛工藝的特點，我公司初步設(shè)計了該叉軸的多向模鍛鍛件。初步擬定了多向模鍛工藝路線為：加熱→多向模鍛。僅需一次加熱、一次鍛造即可鍛造出無飛邊的叉軸鍛件。

仿真模擬和設(shè)計優(yōu)化

試制前通過DEFORM模擬仿真軟件對多向模鍛過程進(jìn)行模擬，旨在提前發(fā)現(xiàn)鍛造缺陷，提高試制成功率，縮短開發(fā)周期，降低成本。

多向模鍛是一種以擠壓為主，擠壓和模鍛復(fù)合成形的閉式鍛造工藝，多向模鍛的主要優(yōu)勢是能夠成形形狀復(fù)雜、有內(nèi)腔的鍛件，鍛件在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下成形，可變形量增大，流線完整，最終鍛造的鍛件產(chǎn)品無飛邊，機(jī)械性能優(yōu)越。

該叉軸鍛件有一段細(xì)長柄和端部一個分叉結(jié)構(gòu)，限制了產(chǎn)品模具的分模面和分模方向的選擇，我公司的多向模鍛液壓機(jī)功能參數(shù)見表1。

表1 我公司的多向模鍛液壓機(jī)功能參數(shù)

結(jié)合該叉軸產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和我公司的設(shè)備能力，最終采用左右分模、垂直擠壓、前后擠孔充滿的工藝路線，通過垂直方向的擠壓完成端部分叉結(jié)構(gòu)的分料，最后通過前后擠孔完成鍛件最終的成形。

圖2、圖3 是叉軸鍛件多向模鍛工藝成形過程模擬仿真結(jié)果，鍛件材質(zhì)為40Cr，通過Gleeble-3500熱模擬試驗機(jī)獲得該材料高溫下的物理熱力學(xué)數(shù)據(jù)，建立該材料的模型導(dǎo)入仿真模擬軟件，始鍛溫度為1200℃，并根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置摩擦系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)等邊界條件，確保模擬結(jié)果盡可能真實。

通過鍛造過程的模擬結(jié)果可以看出，在叉軸鍛件的成形過程中，材料流動順暢，無折疊、夾層等缺陷出現(xiàn)。

圖4 是對鍛造完成后鍛件的溫度場模擬結(jié)果，可以看出，鍛造完成時，鍛件溫度均在終鍛溫度之上，且各部分溫降相對均勻，鍛件沒有局部溫降過大的情況出現(xiàn)。

模具設(shè)計和開模試制

通過前期對該產(chǎn)品多向模鍛工藝的仿真模擬，初步判斷該多向模鍛工藝成形比較合理，鍛件無明顯缺陷，隨后我公司開始著手模具設(shè)計和生產(chǎn)。

根據(jù)鍛件的結(jié)構(gòu)特點和我公司的多向模鍛液壓機(jī)功能參數(shù)情況，確定了該叉軸鍛件的鍛造工藝路線，并設(shè)計了該產(chǎn)品多向模鍛模具，模具主要由五部分組成：垂直擠壓凸模一件、左右水平方向的合模凹模兩件以及前后水平方向的擠孔凸模兩件，模具結(jié)構(gòu)簡圖如圖5 所示。

模具投料加工完成后，我公司按照設(shè)計的工藝路線進(jìn)行了該叉軸產(chǎn)品的鍛造試制，首先左右凹模在多向模鍛液壓機(jī)的驅(qū)動下合模形成封閉型腔，取出加熱完成后的原材料放入型腔，隨后垂直擠壓凸模開始向下擠壓，擠壓到位后完成鍛件分叉的分料，最后前后擠孔凸模擠孔成形，完成產(chǎn)品最終的鍛造，再依次開模取出鍛件，完成整個鍛件試制。本次試制一次成功，順利完成叉軸的鍛造并批量投產(chǎn)，在實際生產(chǎn)中最終驗證了模擬和設(shè)計的結(jié)果。

圖6 為我公司實際鍛造生產(chǎn)的叉軸多向模鍛鍛件，產(chǎn)品無飛邊，投料重量輕，材料利用率超高，成形精度高，大大節(jié)約了機(jī)加工工時，達(dá)到了降本增效的目的，而且產(chǎn)品流線完整，各項機(jī)械性能較傳統(tǒng)模鍛件均有顯著的提高，市場競爭力優(yōu)勢明顯。

結(jié)束語

叉軸作為汽車傳動系統(tǒng)的重要零部件，對產(chǎn)品的性能要求高，需求量大，傳統(tǒng)的鍛造工藝生產(chǎn)叉軸工序繁多，能源消耗大，投料重量重，多向模鍛工藝的運用能夠大大減少叉軸鍛造的生產(chǎn)工序，提升產(chǎn)品性能，同時還能減少能源消耗，降低投料重量，符合國家和社會對制造業(yè)公司節(jié)能降耗、降本增效的要求，在日益劇烈的市場競爭中有著巨大的優(yōu)勢，而鍛造仿真模擬的運用又能大大縮短產(chǎn)品試制的周期，降低試制的成本，多向模鍛工藝和鍛造模擬仿真相結(jié)合，相得益彰。