免焊長(zhǎng)軸溫正擠成形分析

馮飛

摘要：以一種更具效率、節(jié)約加工成本的方式加工免焊長(zhǎng)軸內(nèi)球籠，本文所提及的免焊長(zhǎng)軸內(nèi)球籠是汽車的關(guān)鍵部件之一，也稱為一體式長(zhǎng)軸內(nèi)球籠。本文制定了免焊長(zhǎng)軸內(nèi)球籠的鍛造成形的工藝方案，并采用剛塑性有限元法對(duì)其成形過(guò)程進(jìn)行模擬，同時(shí)在此基礎(chǔ)上對(duì)工藝方案進(jìn)行優(yōu)化，以期許一種高效、節(jié)約的加工工藝能夠替代傳統(tǒng)的長(zhǎng)軸加工工藝。

關(guān)鍵詞：免焊長(zhǎng)軸；溫正擠；減徑；有限元模擬

隨著人們生活水平的提高，汽車逐步走進(jìn)千家萬(wàn)戶中。汽車用等速萬(wàn)向節(jié)總成是安裝在汽車差速器和輪轂之間或變速箱末端齒輪與輪轂之間用于傳遞動(dòng)力和扭矩的機(jī)械部件。等速萬(wàn)向節(jié)總成的輸入軸和輸出軸以等于1的瞬時(shí)角速度比傳遞運(yùn)動(dòng)，在傳遞動(dòng)力和扭矩的同時(shí)還同步改變工作角度，進(jìn)行伸縮滑移以補(bǔ)償傳動(dòng)裝置中軸向尺寸的變化，而上述功能主要由等速萬(wàn)向節(jié)總成的內(nèi)球籠和外球籠實(shí)現(xiàn)。內(nèi)球籠作為汽車的關(guān)鍵部件之一，直接關(guān)系到汽車的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)性能，對(duì)提高整個(gè)汽車的動(dòng)力性、操縱性都起著至關(guān)重要的作用，并且由于其傳遞繁重的驅(qū)動(dòng)力矩，承受負(fù)荷重，傳動(dòng)精度高，需求量很大，又是安全件，對(duì)其強(qiáng)度、精度、安全性能和使用壽命都有著很高的要求，因此其主要零件均采用精鍛件加工而成。

1 工藝方案制定

免焊長(zhǎng)軸內(nèi)球籠作為等速萬(wàn)向節(jié)的一種，具有成形難度較高，加工工序多且復(fù)雜，桿部細(xì)長(zhǎng)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的加工方法是將長(zhǎng)軸進(jìn)行機(jī)械切削加工之后與內(nèi)球籠進(jìn)行摩擦焊接，這種加工方法使得材料的利用率很低，而且由于長(zhǎng)軸是焊接上的，長(zhǎng)軸的金屬流線與內(nèi)球籠的金屬流線是斷開的，對(duì)其使用性能有所影響，而且生產(chǎn)工藝比較繁瑣，生產(chǎn)成本較高。

目前長(zhǎng)軸的鍛造加工工藝為：下料、拋丸、涂層、加熱、鐓粗、反擠、去應(yīng)力退火、拋丸、前處理、第一道減徑、去應(yīng)力退火、拋丸、前處理、第二道減徑、精整、取長(zhǎng)、校直、超聲波探傷、發(fā)貨。

溫正擠長(zhǎng)軸的鍛造加工工藝為：下料、拋丸、涂層、加熱、正擠、鐓粗、反擠、去應(yīng)力退火、拋丸、前處理、減徑、精整、取長(zhǎng)、校直、超聲波探傷、發(fā)貨。溫正擠工藝與正常生產(chǎn)工藝相比較少了一道冷擠壓過(guò)程（即第一道減徑），將其與溫正擠工藝?yán)锏恼龜D壓鍛件頭部結(jié)合一次成形。兩者相比較而言有以下優(yōu)點(diǎn)：①減少了第一道減徑鍛壓設(shè)備投資，降低了生產(chǎn)成本；②減少了減徑前的去應(yīng)力退火、拋丸、前處理三道工序，既提高了生產(chǎn)效率也降低了生產(chǎn)成本。

對(duì)于需要兩道減徑的免焊長(zhǎng)軸內(nèi)球籠來(lái)說(shuō)，減徑時(shí)由于冷作硬化現(xiàn)象，會(huì)使得桿部硬度提高，減徑量越大硬度提高越多，經(jīng)過(guò)一道去應(yīng)力退火后，消除桿部?jī)?nèi)應(yīng)力，軟化桿部硬度，然后再拋丸前處理進(jìn)行第二道減徑，以此來(lái)將桿部硬度控制在合理的加工范圍之內(nèi)。倘若將正常生產(chǎn)工藝減少一道去應(yīng)力退火、拋丸、前處理，采用兩道連續(xù)減徑，由于兩次連續(xù)的冷作硬化現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致桿部硬度偏高。硬度偏高會(huì)產(chǎn)生如下影響：①導(dǎo)致減徑模具拉毛，從而產(chǎn)品桿部拉毛，生產(chǎn)進(jìn)行不下去；②桿部開裂；③硬度偏高，不利于后續(xù)的花鍵加工。另外，兩道減徑由于減徑量比較大的緣故可能導(dǎo)致減徑過(guò)程中出現(xiàn)桿部彎曲的現(xiàn)象。而溫正擠則不會(huì)出現(xiàn)這種狀況，其從溫鍛到減徑之間的變形量比較小，所以硬度的變化相對(duì)較小，不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)減徑時(shí)硬度偏高的現(xiàn)象，其次，在減徑過(guò)程中受到的力相對(duì)而言比兩道減徑的小，不會(huì)出現(xiàn)彎曲的情況。

2 有限元模擬分析

該工件的關(guān)鍵工序是筒形部分內(nèi)腔的反擠成形，需要著重關(guān)注的內(nèi)腔的折疊缺陷，同時(shí)也需要關(guān)注桿部的長(zhǎng)度。棒料經(jīng)正擠后鐓粗成形，為反擠這一關(guān)鍵工序提供鍛前坯料，如果鐓粗的桿部長(zhǎng)度比反擠的桿部長(zhǎng)度長(zhǎng)的話就會(huì)在反擠產(chǎn)生折疊現(xiàn)象，同樣，如果正擠桿部長(zhǎng)度比鐓粗桿部長(zhǎng)度長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致鐓粗折疊。為了深入了解反擠工序變形過(guò)程中反擠沖頭受力情況、金屬流動(dòng)方向及反擠過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)缺陷等問(wèn)題，采用有限元分析軟件Deform3D將該變形的過(guò)程參數(shù)化模擬，選取近似材質(zhì)ANSI1055，塑性體工件坯料溫度設(shè)置750℃，環(huán)境溫度700℃，工件的成形過(guò)程中忽略溫升效應(yīng)，將模具定義為剛性，坯料與模具的接觸摩擦因子為0.25，設(shè)置主模具的行程為44mm，并將原始工件分割為20000個(gè)四面體有限單元進(jìn)行分析。

由下圖所示，沖頭在接觸工件開始擠壓時(shí)受力最大，達(dá)到4500kN并趨于穩(wěn)定至終了位置，除去筒形部分的端面截面積為3121.879mm2，單位面積受力約1442N/mm2。由于關(guān)鍵工序中，筒形部分在反擠時(shí)會(huì)包裹沖頭，并且金屬在變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，所以模具溫度上升速度較快，所以沖頭材料選用65Nb，沖頭調(diào)質(zhì)硬度5860HRC，該材質(zhì)與高速鋼的淬火組織中的化學(xué)成分相同，但其不含有大量的未溶碳化物，所以韌性及疲勞強(qiáng)度都比高速鋼高，并且該材料的回火溫度在520℃以上，回火溫度高，具有一定的紅硬性，適合該產(chǎn)品沖頭壁薄易溫升的特性。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)有限元分析結(jié)果，確定過(guò)程中各處飽滿以及沒(méi)有折疊缺陷產(chǎn)生的情況下，調(diào)整反擠孔深。由于工件桿部長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在退料時(shí)會(huì)受到較大的退料力，所以將桿部的模具加工成帶有一定錐度的形狀，從而降低了退料力。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)試制，達(dá)到了預(yù)期的退料效果，能夠滿足批量生產(chǎn)的要求。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)于等速萬(wàn)向節(jié)鍛件的需求也在不斷增加，因此對(duì)于鍛件生產(chǎn)率的要求也在不斷提升。對(duì)于產(chǎn)能提升要么在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，要么增大設(shè)備投入，而對(duì)于設(shè)備投入也要爭(zhēng)取較小的投入獲得較大的回報(bào)，所以免焊長(zhǎng)軸萬(wàn)向節(jié)的溫正擠工藝實(shí)施還是有必要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳詩(shī).冷溫?cái)D壓技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.