多向模锻工艺在汽车叉轴锻造的应用

文/戴伟燕·球豹阀门有限公司

胡艳军·中冶重工(唐山)有限公司

叉轴类零件作为传递动力的重要零件，广泛应用于汽车、工程机械等领域，其作用是与变速箱、驱动桥等一起将动力传递给车轮。目前中国汽车年产销量近3000 万台，作为动力传动的关键零部件，需求量巨大。

图1 是某机型叉轴零件图，由于叉轴类产品结构比较复杂，截面沿轴向变化较大，目前传统的叉轴锻造多采用模锻锤生产，工艺路线为：下料→加热→制坯→加热→预锻→终锻→切边。传统的锻造工艺需要2 次加热、4 道工序，生产成本高，生产效率低，同时还会产生大量的切边废料和氧化烧损，为了解决这些问题，我公司对叉轴的锻造工艺进行了升级研发。

锻造工艺制定

由于传统工艺火次、工序多，飞边废料大，能源消耗和成本较高，我公司着重从解决这几个问题上制定锻造工艺，最终选择采用多向模锻工艺，减少锻造工序和投料重量，降低能源消耗。

多向模锻是近几年兴起的锻造新工艺，它是在模锻工艺的基础上进行升级，通过多向模锻液压机实现的一种模锻和挤压复合的锻造工艺。相比传统的模锻工艺，多向模锻工艺可以一火一次完成复杂锻件的无飞边锻造，锻件具有投料重量轻，成形质量好，成形精度高，毛坯形状更复杂、更接近成品形状等优点。但是多向模锻工艺的成形模具结构更复杂，模具成形动作更复杂，对工艺设计和参数控制要求更高。

根据多向模锻工艺的特点，我公司初步设计了该叉轴的多向模锻锻件。初步拟定了多向模锻工艺路线为：加热→多向模锻。仅需一次加热、一次锻造即可锻造出无飞边的叉轴锻件。

仿真模拟和设计优化

试制前通过DEFORM模拟仿真软件对多向模锻过程进行模拟，旨在提前发现锻造缺陷，提高试制成功率，缩短开发周期，降低成本。

多向模锻是一种以挤压为主，挤压和模锻复合成形的闭式锻造工艺，多向模锻的主要优势是能够成形形状复杂、有内腔的锻件，锻件在三向压应力状态下成形，可变形量增大，流线完整，最终锻造的锻件产品无飞边，机械性能优越。

该叉轴锻件有一段细长柄和端部一个分叉结构，限制了产品模具的分模面和分模方向的选择，我公司的多向模锻液压机功能参数见表1。

表1 我公司的多向模锻液压机功能参数

结合该叉轴产品的结构特点和我公司的设备能力，最终采用左右分模、垂直挤压、前后挤孔充满的工艺路线，通过垂直方向的挤压完成端部分叉结构的分料，最后通过前后挤孔完成锻件最终的成形。

图2、图3 是叉轴锻件多向模锻工艺成形过程模拟仿真结果，锻件材质为40Cr，通过Gleeble-3500热模拟试验机获得该材料高温下的物理热力学数据，建立该材料的模型导入仿真模拟软件，始锻温度为1200℃，并根据经验设置摩擦系数、热传导系数等边界条件，确保模拟结果尽可能真实。

通过锻造过程的模拟结果可以看出，在叉轴锻件的成形过程中，材料流动顺畅，无折叠、夹层等缺陷出现。

图4 是对锻造完成后锻件的温度场模拟结果，可以看出，锻造完成时，锻件温度均在终锻温度之上，且各部分温降相对均匀，锻件没有局部温降过大的情况出现。

模具设计和开模试制

通过前期对该产品多向模锻工艺的仿真模拟，初步判断该多向模锻工艺成形比较合理，锻件无明显缺陷，随后我公司开始着手模具设计和生产。

根据锻件的结构特点和我公司的多向模锻液压机功能参数情况，确定了该叉轴锻件的锻造工艺路线，并设计了该产品多向模锻模具，模具主要由五部分组成：垂直挤压凸模一件、左右水平方向的合模凹模两件以及前后水平方向的挤孔凸模两件，模具结构简图如图5 所示。

模具投料加工完成后，我公司按照设计的工艺路线进行了该叉轴产品的锻造试制，首先左右凹模在多向模锻液压机的驱动下合模形成封闭型腔，取出加热完成后的原材料放入型腔，随后垂直挤压凸模开始向下挤压，挤压到位后完成锻件分叉的分料，最后前后挤孔凸模挤孔成形，完成产品最终的锻造，再依次开模取出锻件，完成整个锻件试制。本次试制一次成功，顺利完成叉轴的锻造并批量投产，在实际生产中最终验证了模拟和设计的结果。

图6 为我公司实际锻造生产的叉轴多向模锻锻件，产品无飞边，投料重量轻，材料利用率超高，成形精度高，大大节约了机加工工时，达到了降本增效的目的，而且产品流线完整，各项机械性能较传统模锻件均有显著的提高，市场竞争力优势明显。

结束语

叉轴作为汽车传动系统的重要零部件，对产品的性能要求高，需求量大，传统的锻造工艺生产叉轴工序繁多，能源消耗大，投料重量重，多向模锻工艺的运用能够大大减少叉轴锻造的生产工序，提升产品性能，同时还能减少能源消耗，降低投料重量，符合国家和社会对制造业公司节能降耗、降本增效的要求，在日益剧烈的市场竞争中有着巨大的优势，而锻造仿真模拟的运用又能大大缩短产品试制的周期，降低试制的成本，多向模锻工艺和锻造模拟仿真相结合，相得益彰。