中間軸冷擠壓花鍵成形力分析及參數(shù)優(yōu)化

摘 要：介紹了中間軸冷擠壓花鍵成形工藝，對(duì)影響冷擠壓花鍵成形力的主要因素進(jìn)行了分析，通過對(duì)零件表面質(zhì)量、花鍵刀導(dǎo)入角、花鍵刀成形齒長度的優(yōu)化改進(jìn)，冷擠壓花鍵成形力降低23%，花鍵刀壽命提升至8萬件。文章中提出的冷擠壓花鍵力參數(shù)優(yōu)化方案，能夠解決實(shí)際生產(chǎn)中冷擠壓花鍵成形力大導(dǎo)致的一系列問題，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量、增加了花鍵刀使用壽命，進(jìn)而降低零件報(bào)廢成本及花鍵刀成本，起到降本增效作用。

關(guān)鍵詞：冷擠壓花鍵工藝 花鍵成形力 參數(shù)優(yōu)化

1 緒論

轉(zhuǎn)向中間軸用于連接轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向機(jī)，起到承載轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部傳遞扭矩的作用，是保證汽車能夠在高速行駛中，平穩(wěn)轉(zhuǎn)向的重要安全部件[1]。中間軸冷擠壓花鍵是指中間軸軸端采用冷擠壓工藝加工花鍵，與萬向節(jié)叉花鍵進(jìn)行過盈裝配，以達(dá)到產(chǎn)品使用過程中抗拉、扭轉(zhuǎn)要求[2]。在實(shí)際生產(chǎn)中，冷擠壓花鍵存在花鍵成形力大，零件花鍵齒斷裂、毛刺，花鍵刀異常磨損，壽命短等問題[3]，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，也不利于生產(chǎn)成本控制。本文通過分析冷擠壓花鍵成形力影響因素，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)[4-5]，達(dá)到降低花鍵成形力，提高產(chǎn)品質(zhì)量及花鍵刀壽命的目的。

2 冷擠壓花鍵成形工藝

中間軸冷擠壓花鍵成形工藝是指在室溫環(huán)境下，伺服電缸通過夾緊機(jī)構(gòu)夾持中間軸類零件，零件以50mm/s的速度快速通過花鍵成形模具刀（下文簡化為花鍵刀），零件表面材料被花鍵刀擠壓出符合圖紙要求的尺寸，同時(shí)花鍵成形力在過程控制范圍內(nèi)的花鍵成形工藝。

在實(shí)際生產(chǎn)中，中間軸冷擠壓花鍵成形工藝存在花鍵成形力大的問題，如圖4所示。

花鍵成形力大問題不僅對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成不良影響，也會(huì)造成花鍵刀異常磨損甚至碎裂情況發(fā)生。如圖5所示，零件花鍵出現(xiàn)撕裂、毛刺等不良，造成零件報(bào)廢。如圖6所示，花鍵刀異常磨損、碎裂。

3 冷擠壓花鍵成形力影響因素及優(yōu)化

冷擠壓花鍵成形是復(fù)雜的塑性變形過程，花鍵成形力和軸向金屬流動(dòng)情況密切相關(guān)。金屬流動(dòng)具有多方面的不確定因素，包括零件與花鍵刀的摩擦系數(shù)、零件材料及外徑尺寸、花鍵刀導(dǎo)入角、花鍵刀成形齒長度、成形速度、零件與花鍵刀同軸度等。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)，本文主要對(duì)摩擦系數(shù)、花鍵刀導(dǎo)入角、花鍵刀成形齒長度進(jìn)行分析。分析過程借助ABAQUS仿真軟件，并對(duì)花鍵成形過程進(jìn)行簡化，將50齒花鍵成形模擬簡化為3齒花鍵成形模擬，如圖7所示。

3.1 摩擦系數(shù)

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，影響中間軸冷擠壓花鍵成形過程的摩擦系數(shù)主要和零件表面的磷皂化層有關(guān)。分別選取生產(chǎn)三種不同狀態(tài)的零件：零件無磷皂化層、零件有磷皂化層且表面清洗、零件有磷皂化層且表面無清洗，通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，獲取三種零件的摩擦系數(shù)：0.11736、0.0997、0.08，進(jìn)行花鍵成形模擬。

圖8為不同摩擦系數(shù)條件下，最大成形力及平均成形力的變化趨勢(shì)。摩擦系數(shù)越大，花鍵成形力越大。過大的花鍵成形力也會(huì)導(dǎo)致零件在花鍵刀內(nèi)的金屬流動(dòng)性變差，造成花鍵齒形撕裂、堆料，零件報(bào)廢。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般會(huì)對(duì)花鍵刀進(jìn)行噴油潤滑，或是增加零件表面磷皂化層，降低摩擦系數(shù)，進(jìn)而降低花鍵成形力。

3.2 花鍵刀導(dǎo)入角

花鍵刀導(dǎo)入角是花鍵刀的重要參數(shù)，其大小影響金屬流動(dòng)性、變形程度、成形力大小及花鍵刀磨損程度。實(shí)際生產(chǎn)中的花鍵刀導(dǎo)入角如圖9所示。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)花鍵刀導(dǎo)入角，分別選擇10°、15°、20°進(jìn)行花鍵成形力模擬仿真。圖10為不同花鍵刀導(dǎo)入角條件下，花鍵最大成形力和平均成形力的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，花鍵刀導(dǎo)入角15°條件下得到的花鍵成形力最小。花鍵導(dǎo)入角小會(huì)降低零件進(jìn)入花鍵刀時(shí)的成形力，但也會(huì)增加零件與花鍵刀的接觸面積，使得二者間的摩擦力增大，進(jìn)而導(dǎo)致花鍵成形力增大。當(dāng)花鍵導(dǎo)入角過大時(shí)，會(huì)增加零件材料的剪切抗力，零件材料的金屬流動(dòng)性也會(huì)變差，造成金屬堆積增大摩擦力，進(jìn)而導(dǎo)致花鍵成形力增大。

3.3 花鍵刀成形齒長度

花鍵刀成形齒長度是決定花鍵成形力和花鍵成形尺寸的關(guān)鍵因素?；ㄦI成形齒與零件材料充分接觸，起到切割零件材料，并擠壓成花鍵的作用。實(shí)際生產(chǎn)中的花鍵刀成形齒長度如圖11所示。

結(jié)合實(shí)際花鍵刀成形齒長度，設(shè)置3mm、4mm、5mm作為仿真模擬主要參數(shù)進(jìn)行花鍵成形仿真。圖12為不同花鍵刀成形齒長度條件下，花鍵最大成形力和平均成形力的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，花鍵成形齒長度由3mm增加到5mm時(shí)，花鍵成形力大幅增長。花鍵刀成形齒長度越大，與零件材料接觸距離越長，摩擦面積增大，使得材料金屬流動(dòng)性變差，造成花鍵成形力增大；花鍵刀成形齒長度過小，可減小與零件材料的接觸距離，減小摩擦力使得花鍵成形力降低，但也造成材料金屬流動(dòng)性不均勻，花鍵成形不飽滿，尺寸不合格。

3.4 冷擠花鍵成形力優(yōu)化驗(yàn)證

在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)不同因素對(duì)花鍵成形力的影響趨勢(shì)，對(duì)零件增加磷皂化層，保持花鍵刀導(dǎo)入角度15°不變，將花鍵刀成形齒長度改為3mm，制作花鍵刀，用于花鍵成形力優(yōu)化驗(yàn)證。如圖13所示，樣件試驗(yàn)優(yōu)化花鍵刀冷擠壓花鍵的花鍵成形力明顯小于常規(guī)花鍵刀，其減小比例可達(dá)到23%。持續(xù)使用優(yōu)化花鍵刀直至冷擠壓花鍵尺寸不滿足圖紙要求，統(tǒng)計(jì)優(yōu)化花鍵刀生產(chǎn)數(shù)量達(dá)80203件，較常規(guī)花鍵刀平均壽命提高49%。

4 結(jié)語

本文對(duì)中間軸冷擠壓花鍵成形力影響因素進(jìn)行分析，并通過有限元仿真軟件模擬花鍵成形過程，得出不同條件對(duì)花鍵成形力的影響趨勢(shì)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，達(dá)到降低中間軸冷擠壓花鍵成形力，提高花鍵刀壽命的目的。

參考文獻(xiàn)：

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