文/郭艷，陳喜樂(lè)，安偉浩·許昌中興鍛造有限公司

錢(qián)長(zhǎng)友·鄭州大學(xué)

傳動(dòng)軸圓盤(pán)突緣叉鍛造缺陷分析

文/郭艷，陳喜樂(lè)，安偉浩·許昌中興鍛造有限公司

錢(qián)長(zhǎng)友·鄭州大學(xué)

傳動(dòng)軸圓盤(pán)突緣叉是傳動(dòng)軸的重要組成部分，一端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與傳動(dòng)軸的其他零件相連，另一端通過(guò)螺栓與變速器或者驅(qū)動(dòng)橋相連，實(shí)物如圖1所示，其產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)于傳動(dòng)軸的可靠性、壽命和工作穩(wěn)定性等有很大影響。在高品質(zhì)的傳動(dòng)軸中，需要使用鍛造毛坯加工突緣叉。

圖1 圓盤(pán)突緣叉零件

問(wèn)題簡(jiǎn)述

目前，傳動(dòng)軸圓盤(pán)突緣叉的鍛造過(guò)程分為制坯、預(yù)鍛和終鍛三個(gè)步驟，如圖2所示。突緣叉鍛件的鍛造難度較大，圖3所示的突緣叉鍛件是我們公司突緣叉產(chǎn)品中的一種。通過(guò)計(jì)算可知，其鍛件復(fù)雜系數(shù)S=0.22，屬于S3級(jí)。從鍛件形狀可知，從耳部到盤(pán)部的截面積和截面形狀都變化較大，進(jìn)一步增加了鍛造的難度。為了方便汽車(chē)廠家進(jìn)行裝配，還需要在鍛件上鍛造出螺栓窩，螺栓窩會(huì)在鍛件上形成難于成形的薄壁區(qū)域。在實(shí)際生產(chǎn)中，該部位容易出現(xiàn)折疊、充不滿等缺陷，如圖4和圖5所示。根據(jù)我們公司的生產(chǎn)實(shí)踐，并結(jié)合三維造型技術(shù)和有限元數(shù)值模擬技術(shù)，在本文中對(duì)該類(lèi)鍛件缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決方案，取得了顯著效果。

圖2 突緣叉鍛件鍛造步驟示意圖

圖3 突緣叉鍛件三維模型

圖4 鍛件折疊示意圖

圖5 鍛件充不滿示意圖

鍛造缺陷和解決方法

工藝設(shè)計(jì)引起的缺陷

圓盤(pán)部位在突緣叉的鍛造成形過(guò)程中，金屬的流動(dòng)情況比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員不能完全把握的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)不合適的情況，從而導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)缺陷。

終鍛件是基于冷鍛件圖按照鍛件收縮率放大之后得到的，尺寸不合適時(shí)會(huì)造成鍛件的尺寸超差。由于圓盤(pán)突緣叉的形狀復(fù)雜，各部分的收縮率并不相同，需要進(jìn)行局部修正。例如盤(pán)部，其收縮率偏大，需要加大終鍛件的尺寸。另一種情況是局部模具型腔因?yàn)榻饘倭鲃?dòng)量大而磨損較快，導(dǎo)致局部鍛件尺寸超差。例如叉部?jī)?nèi)側(cè)，預(yù)鍛件在劈料之后會(huì)存有較多材料需要在終鍛時(shí)排出去，其鍛件尺寸會(huì)越來(lái)越小。這就需要設(shè)計(jì)終鍛件時(shí)添加修正量，使減小后的鍛件尺寸也在公差范圍內(nèi)，最終使模具各部位的壽命趨于一致。

制坯件設(shè)計(jì)的主要要素有三個(gè)：盤(pán)部尺寸、制坯窩尺寸和過(guò)渡圓角。一般情況下，它們分別對(duì)應(yīng)不同的鍛造缺陷。制坯件的盤(pán)部尺寸過(guò)小時(shí)，會(huì)有兩種情況：①坯料體積大于制坯型腔，制坯件會(huì)在盤(pán)部出現(xiàn)毛邊，而毛邊在預(yù)鍛時(shí)會(huì)被壓進(jìn)鍛件本體，從而形成折疊；②制坯件不出現(xiàn)毛邊，但是制坯時(shí)盤(pán)部分得的材料少，終鍛時(shí)會(huì)產(chǎn)生盤(pán)部缺料或者盤(pán)部金屬回流而形成折疊。制坯窩的窩深偏小時(shí)，終鍛件會(huì)在耳部產(chǎn)生充不滿，或者形成俗稱(chēng)“包頭”的折疊缺陷。過(guò)渡的圓角需要大一些，避免預(yù)鍛件在盤(pán)部與耳圓交接處形成折疊?，F(xiàn)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)終鍛件進(jìn)行三維造型，然后對(duì)終鍛件的模型進(jìn)行分割，分別得到終鍛件叉部和盤(pán)部的重量，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算獲得相應(yīng)部位的制坯重量，可以得到較為理想的效果。

與制坯件相對(duì)應(yīng)，預(yù)鍛件在設(shè)計(jì)時(shí)也要注意三個(gè)方面：盤(pán)部大小、叉子的劈料方式和交接處的過(guò)渡。為了減少終鍛時(shí)金屬的水平方向流動(dòng)，一般要求預(yù)鍛件在模具投影方向上的形狀和終鍛件相接近，但尺寸上要稍微小一些，來(lái)保證預(yù)鍛件可以穩(wěn)定地放入終鍛型腔。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)鍛件要比終鍛件過(guò)渡圓滑，來(lái)避免終鍛時(shí)多余金屬無(wú)法排出型腔而造成鍛件折疊。同時(shí)，在厚度方向上預(yù)鍛件要比終鍛件厚一些，以解決預(yù)鍛件在模具投影方向上因尺寸偏小而引起的缺料問(wèn)題，保證終鍛件能夠完全充滿。在現(xiàn)在的設(shè)計(jì)工作中，一般先進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后使用三維造型技術(shù)和有限元模擬技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證模擬，接著根據(jù)模擬結(jié)果和之前總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，最終得到合理的結(jié)果。這樣大大降低了實(shí)際鍛造時(shí)產(chǎn)生鍛造缺陷的概率。

模具加工引起的缺陷

模具加工主要影響模具型腔和鎖扣、燕尾、鍵槽等定位裝置的精度。一般情況下，鍛件的尺寸超差現(xiàn)象多是由模具型腔加工不準(zhǔn)確造成的，而鎖扣、燕尾和鍵槽的加工偏差主要造成鍛件的錯(cuò)移。鍛件的尺寸超差和錯(cuò)移最終會(huì)影響到傳動(dòng)軸的動(dòng)平衡，加大平衡傳動(dòng)軸總成的難度和工作量。傳動(dòng)軸的不平衡會(huì)造成車(chē)輛運(yùn)行的振動(dòng)和噪聲等。隨著現(xiàn)代汽車(chē)業(yè)的發(fā)展，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，同時(shí)顧客更加強(qiáng)調(diào)乘車(chē)的舒適度，這都需要進(jìn)一步提高傳動(dòng)軸的平衡度。這就要求我們提高鍛件的形狀尺寸精度，減小錯(cuò)移量，盡量使鍛件的質(zhì)量中心與幾何中心重合。因此我們公司使用高精度的數(shù)控加工中心來(lái)加工模具，并采用型腔和鎖扣一次加工成形的方法來(lái)保證它們之間的位置精度。

模具管理也是很重要的一部分。與錘鍛模具不同，高能螺旋壓力機(jī)和熱模鍛壓力機(jī)的模具是單型腔的模塊，一套模具需要有6個(gè)模塊。我公司的產(chǎn)品種類(lèi)較多，所以模具數(shù)量較大，會(huì)出現(xiàn)模具混用的情況。尤其是同系列產(chǎn)品，形狀、尺寸比較接近，更容易出現(xiàn)這種問(wèn)題。所以要對(duì)模具進(jìn)行標(biāo)識(shí)和登記，采取嚴(yán)格的管理措施，避免人為錯(cuò)誤導(dǎo)致的鍛造缺陷。

人員操作引起的缺陷

鍛造過(guò)程中，坯料放置不合適也會(huì)引起一部分鍛造缺陷，最主要的是折疊，如盤(pán)部刮料形成的折疊，盤(pán)與叉子交接部位折疊等。除去操作工熟練程度的影響，突緣叉本身的形狀在很大程度上影響了放置的準(zhǔn)確性。從圖2可知，制坯件和預(yù)鍛件的形狀差別是相當(dāng)大的，這使得自由狀態(tài)下的制坯件不能水平的放置在預(yù)鍛型腔內(nèi)。圖6為軟件模擬的自由狀態(tài)下制坯件在預(yù)鍛型腔的放置情況。制坯件放置不合適會(huì)導(dǎo)致預(yù)鍛件的形狀不理想，如圖7所示。預(yù)鍛件和終鍛件在叉子部位的差別較大，所以也會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。在普通模鍛錘上進(jìn)行鍛打時(shí)，可以由操作工用夾鉗保持制坯件或者預(yù)鍛件在模具型腔內(nèi)的水平狀態(tài)，然后進(jìn)行鍛打。這樣鍛件的品質(zhì)很大程度上要依賴(lài)于操作工的水平，不能完全解決問(wèn)題。尤其在公司引進(jìn)熱模鍛壓力機(jī)后，受壓力機(jī)本身功能的限制，這種方法完全不適用。

圖6 鍛件自由放置示意圖

圖7 制坯件放置對(duì)預(yù)鍛影響示意圖

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)和總結(jié)，我們?cè)谥婆餍颓缓皖A(yù)鍛型腔中設(shè)計(jì)了定位臺(tái)，如圖8所示。通過(guò)三維造型和有限元數(shù)值模擬技術(shù)可以準(zhǔn)確的知道制坯件在預(yù)鍛型腔和預(yù)鍛件在終鍛型腔的位置，從而得到合適的定位臺(tái)尺寸，如圖9所示。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，定位臺(tái)可以替代人工的定位操作，而且其可重復(fù)性更好，降低了對(duì)員工操作的依賴(lài)程度，同時(shí)也降低了操作工自身的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

圖8 定位臺(tái)示意圖

圖9 定位臺(tái)效果示意圖

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，像圓盤(pán)突緣叉這類(lèi)鍛造難度大的鍛件，通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和創(chuàng)新，并結(jié)合新裝備、新技術(shù)，不斷改進(jìn)鍛造工藝，可以生產(chǎn)出更精密的鍛件。這就需要我們不斷學(xué)習(xí)積累，提高業(yè)務(wù)能力，并通過(guò)“顛覆性”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，來(lái)滿足客戶(hù)“挑剔”的質(zhì)量需求，從而提升企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。