传动轴圆盘突缘叉锻造缺陷分析

2016-07-18郭艳陈喜乐安伟浩许昌中兴锻造有限公司

锻造与冲压 2016年21期

关键词：传动轴型腔锻件

文/郭艳，陈喜乐，安伟浩·许昌中兴锻造有限公司

钱长友·郑州大学

传动轴圆盘突缘叉锻造缺陷分析

文/郭艳，陈喜乐，安伟浩·许昌中兴锻造有限公司

钱长友·郑州大学

传动轴圆盘突缘叉是传动轴的重要组成部分，一端通过万向节与传动轴的其他零件相连，另一端通过螺栓与变速器或者驱动桥相连，实物如图1所示，其产品质量对于传动轴的可靠性、寿命和工作稳定性等有很大影响。在高品质的传动轴中，需要使用锻造毛坯加工突缘叉。

图1 圆盘突缘叉零件

问题简述

目前，传动轴圆盘突缘叉的锻造过程分为制坯、预锻和终锻三个步骤，如图2所示。突缘叉锻件的锻造难度较大，图3所示的突缘叉锻件是我们公司突缘叉产品中的一种。通过计算可知，其锻件复杂系数S=0.22，属于S3级。从锻件形状可知，从耳部到盘部的截面积和截面形状都变化较大，进一步增加了锻造的难度。为了方便汽车厂家进行装配，还需要在锻件上锻造出螺栓窝，螺栓窝会在锻件上形成难于成形的薄壁区域。在实际生产中，该部位容易出现折叠、充不满等缺陷，如图4和图5所示。根据我们公司的生产实践，并结合三维造型技术和有限元数值模拟技术，在本文中对该类锻件缺陷产生的原因进行了分析，并提出了相应的解决方案，取得了显著效果。

图2 突缘叉锻件锻造步骤示意图

图3 突缘叉锻件三维模型

图4 锻件折叠示意图

图5 锻件充不满示意图

锻造缺陷和解决方法

工艺设计引起的缺陷

圆盘部位在突缘叉的锻造成形过程中，金属的流动情况比较复杂，设计人员不能完全把握的时候会出现工艺设计不合适的情况，从而导致锻件出现缺陷。

终锻件是基于冷锻件图按照锻件收缩率放大之后得到的，尺寸不合适时会造成锻件的尺寸超差。由于圆盘突缘叉的形状复杂，各部分的收缩率并不相同，需要进行局部修正。例如盘部，其收缩率偏大，需要加大终锻件的尺寸。另一种情况是局部模具型腔因为金属流动量大而磨损较快，导致局部锻件尺寸超差。例如叉部内侧，预锻件在劈料之后会存有较多材料需要在终锻时排出去，其锻件尺寸会越来越小。这就需要设计终锻件时添加修正量，使减小后的锻件尺寸也在公差范围内，最终使模具各部位的寿命趋于一致。

制坯件设计的主要要素有三个：盘部尺寸、制坯窝尺寸和过渡圆角。一般情况下，它们分别对应不同的锻造缺陷。制坯件的盘部尺寸过小时，会有两种情况：①坯料体积大于制坯型腔，制坯件会在盘部出现毛边，而毛边在预锻时会被压进锻件本体，从而形成折叠；②制坯件不出现毛边，但是制坯时盘部分得的材料少，终锻时会产生盘部缺料或者盘部金属回流而形成折叠。制坯窝的窝深偏小时，终锻件会在耳部产生充不满，或者形成俗称“包头”的折叠缺陷。过渡的圆角需要大一些，避免预锻件在盘部与耳圆交接处形成折叠。现在进行设计时，首先对终锻件进行三维造型，然后对终锻件的模型进行分割，分别得到终锻件叉部和盘部的重量，再根据经验计算获得相应部位的制坯重量，可以得到较为理想的效果。

与制坯件相对应，预锻件在设计时也要注意三个方面：盘部大小、叉子的劈料方式和交接处的过渡。为了减少终锻时金属的水平方向流动，一般要求预锻件在模具投影方向上的形状和终锻件相接近，但尺寸上要稍微小一些，来保证预锻件可以稳定地放入终锻型腔。根据经验，预锻件要比终锻件过渡圆滑，来避免终锻时多余金属无法排出型腔而造成锻件折叠。同时，在厚度方向上预锻件要比终锻件厚一些，以解决预锻件在模具投影方向上因尺寸偏小而引起的缺料问题，保证终锻件能够完全充满。在现在的设计工作中，一般先进行初步设计，然后使用三维造型技术和有限元模拟技术进行验证模拟，接着根据模拟结果和之前总结的经验对设计进行修正，最终得到合理的结果。这样大大降低了实际锻造时产生锻造缺陷的概率。

模具加工引起的缺陷

模具加工主要影响模具型腔和锁扣、燕尾、键槽等定位装置的精度。一般情况下，锻件的尺寸超差现象多是由模具型腔加工不准确造成的，而锁扣、燕尾和键槽的加工偏差主要造成锻件的错移。锻件的尺寸超差和错移最终会影响到传动轴的动平衡，加大平衡传动轴总成的难度和工作量。传动轴的不平衡会造成车辆运行的振动和噪声等。随着现代汽车业的发展，传动轴的转速越来越高，同时顾客更加强调乘车的舒适度，这都需要进一步提高传动轴的平衡度。这就要求我们提高锻件的形状尺寸精度，减小错移量，尽量使锻件的质量中心与几何中心重合。因此我们公司使用高精度的数控加工中心来加工模具，并采用型腔和锁扣一次加工成形的方法来保证它们之间的位置精度。

模具管理也是很重要的一部分。与锤锻模具不同，高能螺旋压力机和热模锻压力机的模具是单型腔的模块，一套模具需要有6个模块。我公司的产品种类较多，所以模具数量较大，会出现模具混用的情况。尤其是同系列产品，形状、尺寸比较接近，更容易出现这种问题。所以要对模具进行标识和登记，采取严格的管理措施，避免人为错误导致的锻造缺陷。

人员操作引起的缺陷

锻造过程中，坯料放置不合适也会引起一部分锻造缺陷，最主要的是折叠，如盘部刮料形成的折叠，盘与叉子交接部位折叠等。除去操作工熟练程度的影响，突缘叉本身的形状在很大程度上影响了放置的准确性。从图2可知，制坯件和预锻件的形状差别是相当大的，这使得自由状态下的制坯件不能水平的放置在预锻型腔内。图6为软件模拟的自由状态下制坯件在预锻型腔的放置情况。制坯件放置不合适会导致预锻件的形状不理想，如图7所示。预锻件和终锻件在叉子部位的差别较大，所以也会出现同样的问题。在普通模锻锤上进行锻打时，可以由操作工用夹钳保持制坯件或者预锻件在模具型腔内的水平状态，然后进行锻打。这样锻件的品质很大程度上要依赖于操作工的水平，不能完全解决问题。尤其在公司引进热模锻压力机后，受压力机本身功能的限制，这种方法完全不适用。

图6 锻件自由放置示意图

图7 制坯件放置对预锻影响示意图

经过长时间的试验和总结，我们在制坯型腔和预锻型腔中设计了定位台，如图8所示。通过三维造型和有限元数值模拟技术可以准确的知道制坯件在预锻型腔和预锻件在终锻型腔的位置，从而得到合适的定位台尺寸，如图9所示。经过实际生产验证，定位台可以替代人工的定位操作，而且其可重复性更好，降低了对员工操作的依赖程度，同时也降低了操作工自身的劳动强度，提高了生产效率。