VL星形套成形工艺及模具设计

王超

(江苏大洋精锻有限公司, 江苏盐城 224100)

0 引言

VL形滚道球笼等速万向节由星形套、球笼、保持架以及钢球组成。其中，星形套和球笼的滚道中心线与轴线不平衡，是以相同角度相对于轴线向两侧偏移，且相邻两条滚道偏移方向相反，即成“V”形。VL形滚道球笼等速万向节的传递动力原理与直沟道球笼的等速万向节相同，但VL形球笼等速万向节在传动过程中摩擦损失更小， 传动效率更高，且工件工作寿命更长[1-2]。

VL星形套由于相邻沟道成“V”形，非上下直沟道形状，则锻造工艺无法采用普通上下冲程式模具结构进行退料，文中主要是针对VL星形套的锻造工艺开发和模具设计，以完成产品批产。

1 工艺设计

星形套的锻造工艺：制坯—球化退火—抛丸—表面润滑处理—锻造成形—钻孔—机加工。VL星形套的锻造工艺与普通星形套区别就在于锻造成形的模具结构和毛坯的退料形式。如图1所示为VL星形套的成品三维示意图，其“V”形的斜沟道需锻造成形，外圆、端面以及内孔径可通过机加工完成。文中的VL星形套使用的原材料为20CrMnTi。

图1 VL星形套成品示意

2 模具设计

如图2所示为根据VL星形套的成品毛坯设计的锻造毛坯三维示意图。

图2 VL星形套毛坯示意

根据毛坯图的形状，毛坯的“V”形斜滚道成形若使用一体式模具结构，在模腔中进行上下直接退料会与模具产生干涉。所以对于VL星形套的成形主要考虑毛坯的退料形式。成形时，6个斜滚道的模具参与变形；退料时，斜滚道的成形模具可以退回，不干涉毛坯的退料。则可将VL星形套的6个斜滚道设计成分体式模具结构，仍使用上下冲程式的模架，上模向下运动使6个斜滚道模具先行闭合，通过上、下冲头使毛坯在模腔内成形。上模回程，则对6个分体式的斜滚道模具使用弹簧将其回位，给予毛坯退料留足空间，然后通过下冲头进行退料。

根据毛坯的斜滚道和外圆的尺寸设计6个斜滚道模具：3个同方向，3个反方向。要使6个分体式模具无干涉无间隙的闭合，在斜滚道头部要存在一定的角度。 VL星形套斜滚道分体式模具示意图如图3所示，斜滚道的方向对称。

图3 VL星形套斜滚道模具示意

斜滚道模具闭合过程中，要考虑单个斜滚道模具能够沿着固定的方向移动。需要在每个斜滚道模具中间设置限位块，确保斜滚道模具在闭合过程中不发生偏移。根据VL星形套的滚道形状，将6个斜滚道模具、限位块进行装模，模具示意图如图4所示。

图4 斜滚道模具和限位块装配示意

上模向下等速移动时，上模需要有竖直方向的斜压力块推6个斜滚道模具，使其向内收缩闭合。在图3和图4中可以看出，在6个斜滚道模具在其末端设计成45°，上模内的斜压力块以相同的角度与其接触，上模在向下移动时，6个斜滚道模具在限位块的作用下以等速向内闭合，闭合后在通过上模或压力机的向下移动，上、下冲头使毛坯在6个斜滚道模具内腔中成形。上模的设计示意图如图5所示。

图5 上模示意

将6个斜滚道模具、限位块、下冲头设计成下模，与上模进行配合，其装配示意图如图6所示。

图6 上下模装配示意

3 有限元模拟及结果分析

根据毛坯的尺寸和设计的上下模结构，选择合适的棒料直径和长度，使用Deform软件进行有限元模拟。由于使用的Deform V12版本材料库中没有20CrMnTi材质，则选用相近的DIN20MnCr5(20～800 ℃)，温度设置为20 ℃。

VL星形套的成形原理：6个斜滚道模具闭合，然后上、下冲头分别向下、向上运动，将棒料成形在模腔内。则在有限元模拟中，要设置两个运动模具。上、下冲头作为运动模具，相同的速度，向相反的方向运动，6个斜滚道模具闭合后最为一个整体为静止状态。VL星形套一次成形的有限元模拟结果如图7所示。

图7 有限元模拟结果

从图7有限元模拟的结果可以看出，毛坯的斜滚道及斜滚道的外圆圆角饱满均匀。毛坯在成形所受的应力应变在斜滚道和斜滚道外圆均比较均匀。从图7中荷重与行程曲线可以看出，整个毛坯成形过程荷重不断增大。在斜滚道及斜滚道外圆开始成形饱满时，荷重增长速率较大，最大荷重约为3 250 kN。

4 生产试验

按照以上设计的模具结构及形状，设计的成形装配图如图8所示。

图8 成形装配

根据VL星形套的尺寸，设计模具尺寸。6个斜滚道模具使用瑞士米克朗五轴高速铣加工，在进行研磨抛光，确保模具斜滚道的表面粗糙度达到Ra0.05 μm以内，再进行表面涂层处理，确保表面润滑和强度。其他模具按照正常的加工方式，经表面处理确保各模具之间紧密配合。

由于是棒料直接成形，变形量较大。在成形前对棒料进行球化退火。采用(750±5) ℃保温4 h和(680±5) ℃保温5 h的球化退火工艺[3]，其棒料的球化率达到了90%以上，确保斜滚道成形的饱满均匀。

根据有限元模拟的结果，VL星形套一次成形的最大荷重约为3 250 kN，选用日本小松8 000 kN压力机。由于VL成形，上下模闭合，在闭合过程上模的斜压力块将6个斜滚道模具闭合。上模继续下压，上模的活塞气缸和下模的氮气弹簧将上下模出于居中的位置，再通过压机的下行，上下冲头将棒料在斜滚道模腔内成形。在成形前，上模的活塞气缸和下模的氮气弹簧空模时压力约为2 900 kN，合计为6 150 kN，完全在小松8 000 kN压力机的范围内。

根据实际生产和模架及模具的装配，按照图8装配图进行装配，进行多次试生产和优化，最终生产出图9所示的VL星形套毛坯，斜滚道以斜滚道外圆的饱满度与以上有限元模拟结果一致。所有尺寸经三坐标检测全部合格。最后，根据成品尺寸进行简单的机加工，获得如图10所示的成品。

图9 VL星形套毛坯

图10 VL星形套成品

5 结论

VL星形套根据滚道的形状和位置，采用一次成形工艺。成形模具设计成分体式，在6个斜滚道模具先闭合，然后通过上下冲头的挤压是棒料成形。

使用DIN20MnCr5代替20CrMnTi进行有限元模拟，结果显示VL星形套毛坯的斜滚道及斜滚道的外圆圆角饱满均匀，成形过程荷重不断增大，最大荷重约为3 250 kN。模具空模时压力约为2 900 kN，可以选用日本小松8 000 kN压力机。

通过生产试验，分体式的斜滚道模具能够满足毛坯的一次成形。生产的毛坯符合有限元模拟的结果，顺利完成批产。