VL型球籠筒形殼多向模鍛工藝及坯料優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐瀟 付奎奎 龔攀 王永曉 胡紅磊 李志松 劉釗 王欣

關(guān)鍵詞：VL型球籠筒形殼；可伸縮芯軸；多向模鍛；自動(dòng)脫模；飛邊

0 引言

球籠是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中必不可少的組成部分，負(fù)責(zé)汽車傳動(dòng)軸與車輪的柔性連接和傳遞扭矩，一般來說每臺(tái)汽車采用2～4個(gè)球籠。傳統(tǒng)汽車常采用直滾道球籠，但在高檔汽車和新能源汽車領(lǐng)域，VL型球籠以其尺寸小、摩擦力小、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)效率高、噪音小、工作壽命長等顯著優(yōu)勢被應(yīng)用得更加廣泛。此外，VL型球籠的軸向尺寸段短、轉(zhuǎn)角大，可以有效縮短汽車的轉(zhuǎn)向空間，應(yīng)用前景更加廣闊。

VL型球籠又稱為球籠伸縮式萬向節(jié)，由星型套、保持架、鋼球和筒形殼組成，其筒形殼內(nèi)表面分布6條相互交叉的傾斜內(nèi)球槽，導(dǎo)致零件在模鍛時(shí)難以脫模，嚴(yán)重限制了該零件鍛造工藝的發(fā)展。目前，市面上普遍采用溫?zé)徨懪c機(jī)加工的組合工藝來完成該筒形殼零件的生產(chǎn)，即通過熱鍛擠壓鐓粗—擠壓—縮頸等獲得筒形殼的基礎(chǔ)輪廓，然后通過銑削加工出傾斜滾道，最后通過感應(yīng)淬火達(dá)到零件所需要的硬度。該方法的材料利用率低、工序復(fù)雜，而且銑削破壞材料流線的整體性，影響零件的整體性能。因此，研發(fā)一種新的球籠筒形殼精密鍛造成形工藝迫在眉睫。

為了解決VL型球籠筒形殼多向模鍛時(shí)的脫模難題，本文提出了一種斜楔式徑向可伸縮芯軸多向模鍛模具，通過帶有斜楔滑塊的模具結(jié)構(gòu)，配合具有水平?jīng)_頭的多向模鍛壓機(jī)，實(shí)現(xiàn)VL型球籠筒形殼的精確成形。且在斜楔滑塊收縮、芯軸上升時(shí)可實(shí)現(xiàn)鍛件的自動(dòng)脫模。此外，采用數(shù)值模擬結(jié)合多向模鍛實(shí)驗(yàn)，得到了球籠筒形殼零件的精密成形規(guī)律，對坯料結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)花瓣?duì)顜в休S向波浪起伏的坯料可有效控制鍛件的徑向和軸向飛邊。本文提出的成形方法可以實(shí)現(xiàn)筒形殼的精確成形，同時(shí)解決由于內(nèi)滾道傾斜所帶來的脫模困難問題。目前，擠壓完成后與斜楔接觸的部位存在軸向波浪狀凸起，增加了后續(xù)磨削或精整加工時(shí)間，該問題可以通過坯料形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)來解決。此外，3個(gè)水平?jīng)_頭采用3個(gè)液壓缸進(jìn)行控制時(shí)，沖頭的運(yùn)行精度和同步性有待進(jìn)一步提升，該問題后續(xù)預(yù)計(jì)有2個(gè)方案可以解決：（1）升級壓機(jī)為伺服控制系統(tǒng)；（2）設(shè)計(jì)機(jī)械式模架結(jié)構(gòu)，采用斜楔轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)對3個(gè)水平?jīng)_頭的同步控制等。這些問題還有待進(jìn)一步研究。通過擠壓完成的VL型球籠筒形殼經(jīng)過精整加工和淬火后，達(dá)到實(shí)際使用要求。該多向模鍛加工方法可有效提高材料利用率和鍛件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，為復(fù)雜難脫模鍛件的鍛造生產(chǎn)提供新途徑。

1 VL型球籠筒形殼多向模鍛成形工藝

VL型球籠筒形殼的鍛件二維圖和零件實(shí)物照片如圖1所示，該鍛件整體呈圓環(huán)形，內(nèi)部沿周向分布有6條傾斜滾道，相鄰兩滾道大小相等，方向相反，且貫穿圓環(huán)軸向。VL型球籠筒形殼的外直徑為Φ78 mm，內(nèi)直徑為Φ55 mm，傾斜滾道深度為5.5 mm，該筒形殼內(nèi)滾道的硬度經(jīng)中頻淬火達(dá)到58～62HRC，探傷無裂紋。該球籠筒形殼零件鍛造成形存在兩個(gè)難點(diǎn)：（1）斜滾道處在零件內(nèi)表面，且與零件軸向不平行，普通模鍛時(shí)無論分模面選在哪個(gè)位置，均存在脫模困難問題；（2）球籠筒形殼多采用55鋼制造，變形抗力較大，導(dǎo)致其內(nèi)滾道精確成形困難且成形載荷較大，對鍛壓設(shè)備要求極高。

針對上述難點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種帶有斜楔式徑向可伸縮芯軸的多向模鍛模具，配合3個(gè)水平?jīng)_頭，實(shí)現(xiàn)VL型球籠筒形殼的精確成形。其中，本文所使用的多向模鍛壓機(jī)由上海電機(jī)學(xué)院多向模鍛工程技術(shù)中心自主設(shè)計(jì)，委托天津市天鍛壓力機(jī)有限公司生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)豎直方向最多4個(gè)動(dòng)作、水平方向最多6個(gè)動(dòng)作的滑塊運(yùn)動(dòng)，基本滿足高端零部件的多向模鍛成形工藝的加壓動(dòng)作需求。本壓機(jī)的主體結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的三梁四柱型，其中上橫梁下表面有1個(gè)主液壓缸和2個(gè)輔助液壓缸，負(fù)責(zé)推動(dòng)移動(dòng)橫梁的豎直方向運(yùn)動(dòng)；移動(dòng)橫梁下表面裝有可伸縮芯軸的多向模鍛模具，負(fù)責(zé)球籠筒形殼的內(nèi)滾道成形與脫模；工作臺(tái)上表面裝有底模具，負(fù)責(zé)固定坯料；工作臺(tái)周圍按三等分布置3個(gè)水平液壓缸，負(fù)責(zé)推動(dòng)3個(gè)水平?jīng)_頭進(jìn)行坯料的擠壓成形。芯軸斜楔與滑塊配合的結(jié)構(gòu)如圖2a圓圈處所示，傾斜軌道滑塊通過T型栓設(shè)于斜楔T型槽內(nèi)，當(dāng)芯軸斜楔向下移動(dòng)時(shí)，通過前端的圓錐面將傾斜軌道滑塊推出，當(dāng)擠壓完成時(shí)，芯軸斜楔上移，傾斜軌道滑塊被斜楔帶動(dòng)回縮，完成脫模。該模具實(shí)物圖如圖2b所示，3個(gè)水平?jīng)_頭通過模架裝配在如圖2c所示的多向模鍛壓機(jī)中。

鍛造過程中，將坯料置于芯軸正下方的工作臺(tái)的底模上，芯軸沿軸向向下運(yùn)動(dòng)至下端，接觸底模凹槽底部，芯軸外套停止下移，斜楔復(fù)位彈簧被壓縮，推動(dòng)中間芯軸斜楔在壓力下繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，將芯軸斜楔上的滑塊沿軌道完全伸出。此后，芯軸斜楔與芯軸外套剛性接觸，同時(shí)斜楔上滑塊加壓鎖緊，構(gòu)成VL型球籠筒形殼的內(nèi)滾道形狀，滑塊接觸坯料內(nèi)徑。隨后，3個(gè)水平?jīng)_頭向坯料加壓，直至坯料被擠壓至與傾斜軌道滑塊完全貼合，球籠滾道成形。加壓完成后，水平?jīng)_頭回程，復(fù)位彈簧歸位帶動(dòng)芯軸斜楔向上移動(dòng)，傾斜軌道滑塊沿芯軸斜楔上的T型槽軌道收縮，收縮完成后，芯軸上移復(fù)位，在加工臺(tái)上取出鍛件，完成自動(dòng)脫模和多向模鍛過程。

圓環(huán)形坯料易加工獲取，且與鍛件的最終形狀相近，是該多向模鍛件的理想坯料形狀之一，圖3給出了圓環(huán)形坯料二維圖。對于本文中的VL型球籠筒形殼，其在常溫下精密鍛造成形時(shí)成形載荷較大，為避免閉式模鍛造成模具擠壓破裂的問題，一般在軸向采用開式結(jié)構(gòu)，不限制材料的自由流動(dòng)，這也導(dǎo)致鍛件軸向變形不可控。在水平?jīng)_頭加壓時(shí)，材料會(huì)向上流動(dòng)，尤其是在坯料上端與芯軸滑塊接觸的地方，會(huì)產(chǎn)生較大的波浪狀起伏（軸向飛邊），如圖3b所示，這部分飛邊通常需要后續(xù)加工處理。如果產(chǎn)生的軸向飛邊較大，不僅會(huì)造成材料浪費(fèi)，而且也會(huì)導(dǎo)致后續(xù)機(jī)加工時(shí)間過長。此外，3個(gè)水平?jīng)_頭之間的間隙也會(huì)不可避免地形成如圖3b所示的徑向飛邊。通過大量的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和多向模鍛實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改變圓環(huán)狀坯料的厚度、高度等參數(shù)均無法完全避免鍛件的徑向和軸向飛邊問題，為此，需進(jìn)一步優(yōu)化多向模鍛工藝流程和坯料形狀，確保鍛件的成形精準(zhǔn)，減少成形載荷和后續(xù)加工時(shí)間。

2 VL型球籠筒形殼多向模鍛坯料形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了解決球籠筒形殼鍛件軸向和徑向飛邊問題，本文設(shè)計(jì)了花瓣形坯料，花瓣形坯料的結(jié)構(gòu)特征示意圖和實(shí)物照片及其鍛件如圖4所示。花瓣形坯料外環(huán)由3個(gè)等徑圓弧組成，與上述圓環(huán)狀坯料相比，花瓣?duì)钆髁项A(yù)先內(nèi)凹的形狀可引導(dǎo)和控制多向模鍛過程中材料的流向，避免水平?jīng)_頭之間產(chǎn)生縱向飛邊，但是此時(shí)鍛件的軸向飛邊仍較為明顯，尤其是鍛件滾道上方的位置，如圖4c所示。

為了解決鍛件的軸向飛邊問題，本文設(shè)計(jì)了第3種坯料形狀，即在原有花瓣形坯料的基礎(chǔ)上，增加坯料上方的軸向波浪狀結(jié)構(gòu)，使內(nèi)滾道處多余材料擠壓流動(dòng)至波浪狀坯料的波谷處，去抵消坯料在擠壓過程中產(chǎn)生的軸向飛邊，如圖5c所示。此外，利用Deform-3D對多向模鍛過程進(jìn)行模擬分析，其中坯料設(shè)為塑性體，材料為55鋼；坯料溫度設(shè)置為室溫（20℃），采用相對網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格數(shù)目設(shè)置為16800，坯料與模具的摩擦類型選用剪切摩擦類型，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3；坯料與模具之間的熱交換系數(shù)設(shè)置為11 N·（s·mm·℃）-1。模具均設(shè)為剛性體，材料選用H13鋼，網(wǎng)格數(shù)劃分?jǐn)?shù)量設(shè)置為32000；芯軸和水平?jīng)_頭的速度均設(shè)置為10 mm·s-1。模擬完成后，對鍛件上不同高度處的點(diǎn)（P1～P6）進(jìn)行追蹤，將鍛件最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高度差定義為ΔH。由圖5所示的點(diǎn)追蹤結(jié)果可知，圓環(huán)形鍛件的ΔH大于4.0 mm，在實(shí)際生產(chǎn)需通過銑削+磨削才可使零件達(dá)到要求的精度?；ò晷闻髁系摩大于3.5 mm，情況與圓環(huán)形坯料類似，花瓣波浪形坯料的ΔH的最大值為2.2 mm，該尺寸偏差一般可通過磨削或精整加工消除。

成形過程中坯料變形的劇烈程度可以通過鍛造過程中的等效應(yīng)變分析進(jìn)行判斷，圖6給出了成形過程中第90步、105步、120步和135步時(shí)坯料的等效應(yīng)力分布。由圖6可知，等效應(yīng)變主要集中在與斜楔滑塊接觸的部位，即要成形的凹槽處。如圖6a所示，豎直芯軸斜楔完全展開，水平?jīng)_頭開始收縮加壓，坯料與芯軸斜楔面接觸，接觸區(qū)域的等效應(yīng)變較高，但隨著水平?jīng)_頭進(jìn)程的增大，最大等效應(yīng)變量隨著擠壓進(jìn)程呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，如圖6b和圖6c所示，其中在第120步時(shí)坯料的等效應(yīng)變達(dá)到最大值，為1.636；擠壓完成時(shí)，最大等效應(yīng)變量為1.544，如圖6d所示，6個(gè)凹槽的等效應(yīng)變分布的均勻性較好，未出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，說明采用此套模具成形，有利于筒形殼成形質(zhì)量的穩(wěn)定。

此外，用Deform對上述多向模鍛過程中的成形載荷進(jìn)行了分析，圖7a和圖7b分別給出了中間芯軸上的軸向載荷和水平?jīng)_頭上的水平載荷分布情況。由圖7a可知，該載荷-行程曲線可以大致分為3個(gè)階段：第1階段的載荷未增長，此階段水平?jīng)_頭開始收縮，但未與坯料接觸，所以坯料無變形，中間芯軸未承受載荷；第2階段載荷開始增長，此階段坯料與斜楔滑塊開始接觸擠壓，但此時(shí)芯軸未與坯料完全接觸；第3階段中載荷快速增大，并在之后快速達(dá)到最大值，約為2.7×105N，此階段對應(yīng)芯軸與坯料完全接觸，并不斷地在徑向填充模腔，直至3個(gè)水平?jīng)_頭到位，模腔填充完成。

3個(gè)水平?jīng)_頭為對稱結(jié)構(gòu)，所以3個(gè)水平?jīng)_頭的受力情況一致，因此，選擇其中1個(gè)水平?jīng)_頭受力進(jìn)行分析。圖7b為水平?jīng)_頭的載荷-行程曲線。從圖7b可以看出，該曲線主要分為4個(gè)階段：第：1階段，水平?jīng)_頭未與坯料接觸，所以，成形載荷未增長；第2階段，坯料與水平?jīng)_頭剛開始接觸，載荷陡然增加；第3階段，水平?jīng)_頭向中心擠壓坯料，載荷伴隨進(jìn)程緩慢增漲；第4階段，坯料基本成形，坯料的流動(dòng)阻力增大，完全進(jìn)程后坯料擠壓完全，載荷下降，水平?jīng)_頭的最大成形載荷約為1.35×105 N。

為分析變形過程中的受力情況，圖8給出了花瓣波浪形坯料多向模鍛過程中的等效應(yīng)力分布變化。該多向模鍛過程一共設(shè)置了135步，前期芯軸下落階段材料不發(fā)生變形，因此，圖8給出了成形過程中第70步、85步、100步、115步、125步和135步時(shí)坯料的等效應(yīng)力分布。由圖7可知，坯料與芯軸斜楔接觸部位的成形壓力明顯大于其他位置，應(yīng)力較為集中。如圖8a所示，豎直芯軸斜楔完全展開，水平?jīng)_頭開始收縮加壓，坯料與芯軸斜楔面接觸，接觸區(qū)域的等效應(yīng)力較高。隨著水平?jīng)_頭進(jìn)程量的增大，坯料的變形程度逐漸增大，如圖8b～圖8e所示，隨著芯軸斜楔接觸面的逐漸增大，凹槽逐漸加深，等效應(yīng)力逐漸增大。水平?jīng)_頭進(jìn)程完全時(shí)，斜楔滾道成形，如圖8f所示，等效應(yīng)力分布差異減小，最大等效應(yīng)力為701.8 MPa，模具能夠承受該單位面積的壓力，不會(huì)造成破壞。

利用Deform后處理中的材料流速分布模塊可以分析金屬體積成形過程中的金屬流動(dòng)速度，觀察金屬的流動(dòng)規(guī)律，分析金屬的變形行為。圖9給出了不同變形階段的金屬流動(dòng)速度分布。從圖9a可以看出，在第75步時(shí)，鍛件成形初始階段，坯料受到水平?jīng)_頭的擠壓，此時(shí)材料向中間流動(dòng)，與水平?jīng)_頭接觸的地方同時(shí)也有材料向上流動(dòng)；如圖9b所示，在第85步時(shí)，坯料與芯軸滑塊接觸，在水平?jīng)_頭和斜楔滑塊雙向接觸中，開始快速填充型腔，同時(shí)有材料流向滑塊未被擠壓的中間部位；如圖9c～圖9e所示，在第100～125步時(shí)，金屬向上流動(dòng)且流動(dòng)速度加快，但仍有一部分繼續(xù)向中間流動(dòng)，此時(shí)坯料外表面在水平?jīng)_頭的擠壓下產(chǎn)生一些微小飛邊，這是由于坯料與水平?jīng)_頭之間存在摩擦，產(chǎn)生難變形區(qū)造成的；如圖9f所示，在第135步時(shí)，發(fā)現(xiàn)飛邊區(qū)坯料不斷回流，此時(shí)幾乎無飛邊堆疊，說明鍛件無明顯的折疊缺陷。

為驗(yàn)證上述研究結(jié)果，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果選擇花瓣波浪形坯料進(jìn)行多向模鍛實(shí)驗(yàn)，其鍛件完成情況如圖10所示。如圖10a所示，鍛件外直徑深度為Φ78.4 mm，與模擬數(shù)據(jù)的誤差小于0.4 mm；如圖10b所示，鍛件內(nèi)直徑尺寸為Φ55.8 mm，與模擬數(shù)據(jù)的誤差小于0.8 mm；如圖10c所示，滾道深度與模擬數(shù)據(jù)的誤差小于0.5 mm。鍛件最高處的高度為26.64 mm，最低處的高度為25.05 mm，終鍛件與零件的軸向高度差值控制在2.0 mm內(nèi)，波峰波谷差ΔH為1.59 mm，這個(gè)尺寸偏差可通過磨削或精整加工消除，滿足精鍛成形要求。

3結(jié)論

（1）針對某一VL型球籠筒形殼零件，在分析筒形殼鍛件鍛造工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了斜楔式徑向可伸縮芯軸多向模鍛模具，配合具有水平?jīng)_頭的多向模鍛壓機(jī)，實(shí)現(xiàn)了該零件的多向模鍛成形和順利自動(dòng)脫模。

（2）根據(jù)鍛件與最終零件尺寸的精度要求，對坯料形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終發(fā)現(xiàn)花瓣波浪形坯料能夠消除鍛件徑向飛邊，控制鍛件軸向飛邊在2 mm的合理范圍內(nèi)，顯著提升了鍛件的成形精度。

（3）通過對多向模鍛過程進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的花瓣波浪形坯料形狀能夠保證筒形殼鍛件的良好成形，鍛件內(nèi)部流線分布合理，也未出現(xiàn)折疊等缺陷。

本文摘自《鍛壓技術(shù)》2024年第4期