三銷軸叉鍛件冷精整拉毛改善

文/楊金成，曾凡·上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限公司鍛造中心

汽車傳動軸是車輪轉(zhuǎn)動的直接驅(qū)動件，汽車行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)輸出的扭矩，經(jīng)過多級變速和主動器傳遞給傳動軸，再由傳動軸傳遞到車輪上，推動汽車前進(jìn)或倒退，是汽車傳遞扭矩的一個(gè)重要零件。其中三銷軸叉又是汽車傳動軸的主要受力部件，其性能優(yōu)劣直接影響汽車傳動的安全性和可靠性。

生產(chǎn)特點(diǎn)

三銷軸叉精鍛件一般采用鋸切或精密剪切方式下料和溫鍛-冷精整聯(lián)合成形工藝成形。典型溫冷聯(lián)合成形工藝流程為(以汽車等速萬向節(jié)三銷軸叉精鍛件為例)：下料→拋丸→預(yù)涂石墨→感應(yīng)加熱→正擠柄部→鐓粗預(yù)成形頭部型腔→反擠成形溫鍛件毛坯→控溫冷卻→拋丸→皂化→冷精整(縮徑冷擠壓)。

采用鋸切或精密剪切方式下料。坯料的重量公差控制在名義重量的±1%，坯料的長度和直徑比保證在1.2 ～2.3 之間；坯料在中頻加熱爐加熱到(850 ～940)℃，在20MN 溫鍛壓力機(jī)上采用四個(gè)工位模具型腔進(jìn)行四工步溫鍛成形。

采用溫鍛-冷精整聯(lián)合成形工藝成形。在機(jī)械壓力機(jī)上溫鍛生產(chǎn)預(yù)成形溫鍛件毛坯，在壓力機(jī)上冷精整成形獲得具有符合三銷軸叉產(chǎn)品圖要求的精鍛件，其球道內(nèi)腔尺寸只補(bǔ)償后工序熱處理變形量，不再進(jìn)行機(jī)加工。溫鍛避免了熱鍛會產(chǎn)生的較多氧化、脫碳缺陷，又避免了冷鍛時(shí)較大的金屬變形抗力，冷精整可以得到高精度、高表面質(zhì)量的精密鍛件。

冷精整變形量設(shè)計(jì)

三銷軸叉冷精整凹模的內(nèi)腔輪廓?jiǎng)t是由三銷軸叉截面外輪廓線做等距偏移而確定的。通過計(jì)算，冷精整變形前溫鍛件截面積為1677.3mm2，變形后的截面積為1344.7mm2，斷面收縮率約為19.8%，屬于合理的精整減徑變形量，但是，實(shí)際生產(chǎn)中在精鍛件頭部球面碗口外側(cè)出現(xiàn)了局部拉毛(圖1)、凹模壽命低的問題。冷精整裝配圖見圖2。

圖1 冷精整精鍛件局部拉毛

圖2 冷精整裝配圖

尺寸設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬分析

三銷軸叉精鍛件因其頭部內(nèi)、外腔形狀復(fù)雜，尺寸精度要求高，故一般采用溫鍛預(yù)成形＋冷精整成形復(fù)合成形技術(shù)，而預(yù)成形溫鍛件設(shè)計(jì)不合理，在冷精整成形中，存在精鍛件局部拉毛的問題。利用數(shù)值模擬技術(shù)，分析了三銷軸叉精鍛件冷精整成形過程的成形力、應(yīng)力、應(yīng)變的變化，對預(yù)成形溫鍛件進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了不同的冷精整起始點(diǎn)距離，工程實(shí)踐后，優(yōu)化后的預(yù)成形溫鍛件在冷精整時(shí)，沒有拉毛產(chǎn)生，精鍛件產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。

關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)

⑴改善前溫鍛件毛坯在冷精整起始點(diǎn)位置的尺寸形狀設(shè)計(jì)。

改善前溫鍛件毛坯(圖3)冷精整變形量起始點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法：在三銷軸叉溫鍛件頭部的末端沿周向有7°入模角，內(nèi)腔的基準(zhǔn)平面至入模角的上端距離為8.8mm。在冷精整時(shí)，沖頭的頭部先接觸三銷軸叉的型腔底部，施加往下的拉深力，同時(shí)利用已經(jīng)變薄的工件部分將拉深力傳入變形區(qū)。

圖3 改善前溫鍛件冷精整起始點(diǎn)尺寸形狀設(shè)計(jì)方法

⑵改善后溫鍛件毛坯在冷精整起始點(diǎn)位置的尺寸形狀設(shè)計(jì)。

為降低冷精整時(shí)三銷軸叉冷擠壓力，改善后溫鍛件毛坯(圖4)冷精整變形量起始點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法：在三銷軸叉溫鍛件頭部的末端沿周向有7°入模角，將內(nèi)腔的基準(zhǔn)平面至入模角的上端距離為13.8mm。在冷精整時(shí)，沖頭的頭部先接觸三銷軸叉的型腔底部，施加往下的拉深力，同時(shí)利用已經(jīng)變薄的工件部分將拉深力傳入變形區(qū)。

圖4 改善后溫鍛件冷精整起始點(diǎn)尺寸形狀設(shè)計(jì)方法

數(shù)值模擬分析

用鍛造成形模擬Deform-3D 軟件模擬，如圖5所示，材料數(shù)據(jù)選取Deform-3D 軟件材料數(shù)據(jù)庫中已有鋼材，摩擦條件采用剪切摩擦模型，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況，摩擦因子選為0.12，冷精整沖頭速度選為15mm/s，溫度設(shè)為室溫25℃。

圖5 Deform-3D 軟件數(shù)值模擬冷精整成形

針對兩種不同形狀的溫鍛件毛坯，用相同冷精整模具進(jìn)行冷精整，冷精整成形后，分別對兩種冷精整件的成形力、應(yīng)力、應(yīng)變、損傷進(jìn)行分析。

⑴成形載荷分析。

圖6 為改善前與改善后的載荷-行程曲線。從圖6 可以看出，成形載荷曲線走勢分為4 個(gè)階段，剛開始溫鍛件在冷精整沖頭的作用下與凹模接觸，開始進(jìn)入塑性變形階段，載荷迅速上升；接著溫鍛件與凹模完全接觸，進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，成形載荷趨于平穩(wěn)；然后成形型腔頭部碗口最高處毛刺部位(圖1 所示精鍛件局部拉毛部位)，成形載荷又迅速上升達(dá)到最大值，最后毛坯開始與凹模分離，載荷迅速下降，直至到0。

圖6 載荷-行程曲線

對比載荷-行程曲線，改善前與改善后的成形載荷總體相差不大，但在成形載荷曲線走勢的第3 個(gè)階段時(shí)(即冷精整鍛件拉毛部位時(shí))，改善設(shè)計(jì)后最大成形載荷減小了約0.12MN，最大冷擠壓力降低了20.6%，成形力降低，工藝實(shí)現(xiàn)較為方便，對冷精整拉毛有一定的改善。

⑵等效應(yīng)變分析。

圖7 為三銷軸叉冷精整變形的等效應(yīng)變云圖，從圖7 可以看出，改善前，等效應(yīng)變分布非常不均勻，特別是在頭部球面碗口外側(cè)出現(xiàn)局部拉毛的部位，最大應(yīng)變值達(dá)到約1.8；而改善后的應(yīng)變分布較為均勻，在頭部球面碗口外側(cè)出現(xiàn)局部拉毛(見圖1 所示)的部位，最大應(yīng)變值約為0.8，與其他節(jié)型產(chǎn)品相比，最大應(yīng)變值在合理范圍內(nèi)，說明改善后的設(shè)計(jì)方案取得了較好的效果。

圖7 等效應(yīng)變云圖

⑶等效應(yīng)力分析。

等效應(yīng)力代表復(fù)雜應(yīng)力折合成單向應(yīng)力狀態(tài)的當(dāng)量應(yīng)力，可用其度量塑性變形過程中受力與變形的程度。圖8 為三銷軸叉冷精整變形的等效應(yīng)力云圖，從圖8 可以看出，改善前，等效應(yīng)力分布非常不均勻；而改善后的應(yīng)力分布較為均勻，在頭部球面碗口外側(cè)出現(xiàn)局部拉毛的部位，最大應(yīng)力分布區(qū)域有所減少，說明改善后的設(shè)計(jì)方案取得了較好的效果。

圖8 等效應(yīng)力云圖

⑷損傷分析。

圖9 為三銷軸叉冷精整變形的損傷云圖，從圖9可以看出，改善前，損傷分布非常不均勻，特別是在頭部球面碗口外側(cè)出現(xiàn)局部拉毛的部位，最大損傷值達(dá)到約0.6；而改善后的應(yīng)變分布較為均勻，在頭部球面碗口外側(cè)出現(xiàn)局部拉毛的部位，最大損傷值小于0.2。與其他節(jié)型產(chǎn)品相比，最大損傷值在合理范圍內(nèi)，損傷值變小，說明這個(gè)部位發(fā)生破壞(拉毛、拉裂)可能性就越低，改善后的設(shè)計(jì)方案取得了較好的效果。

圖9 損傷云圖

結(jié)論

⑴本文主要闡述了三銷軸叉冷溫鍛鍛件成形工藝流程。

⑵對冷精整擠壓力的溫鍛件毛坯在冷精整起始點(diǎn)位置的尺寸形狀設(shè)計(jì)及影響，利用數(shù)值模擬技術(shù)，分析了三銷軸叉精鍛件冷精整成形過程的成形力、應(yīng)力、應(yīng)變、損傷的變化，工程實(shí)踐后，優(yōu)化后的預(yù)成形溫鍛件在冷精整時(shí)，沒有拉毛產(chǎn)生，證明優(yōu)化后的預(yù)成形溫鍛件，經(jīng)冷精整成形后，精鍛件產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，可有效防止拉毛產(chǎn)生，通過Deform 3D模擬和生產(chǎn)驗(yàn)證，為解決類似冷精整拉毛的問題提供了一些借鑒。