三叉軸流動控制工藝研究

金廣柱　李偉

摘 要：文章主要闡述了在中等溫度下如何進行三叉軸流動控制工藝鍛造加工，并針對三叉軸流動控制工藝設(shè)計了二種方案，并根據(jù)各方案的優(yōu)缺點確定最佳方案，同時利用確定的最佳方案進行了三叉軸加工實驗，來驗證最佳工藝方案的正確性。

關(guān)鍵詞：三叉軸；流動控制工藝；工藝方案

三叉軸如圖1所示，它是汽車的一種萬向節(jié)傳動軸，是汽車上重要的傳動零件之一。由于汽車在高速行駛過程中三叉軸三個軸上的軸承等速高速旋轉(zhuǎn)，所以要求三叉軸具有高強度、高精度、高硬度。那么三叉軸是如何加工的呢？由于其形狀的特殊，現(xiàn)在普遍采用模鍛成形的方法加工，模鍛成形是在鍛壓設(shè)備動力作用下，金屬在模鍛型槽中被迫塑性流動，從而獲得比通過自由鍛獲得的鍛件的質(zhì)量更高的鍛件的加工方法。由于模鍛成形工序步驟較多、工件精度較低、材料利用率較低、模具硬度強度要求高、模具磨損嚴重、模具壽命短等缺點，因而急需提高其工藝。

流動控制成形是近年來流行的精密模鍛成形新技術(shù)，它可以精確控制金屬材料的非均勻塑性流動，提高其成形性能，可實現(xiàn)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件的精密成形；能有效避免折疊、充不滿等缺陷的產(chǎn)生，使鍛件金屬流線連續(xù)致密、分布合理，大大的提高了產(chǎn)品的力學(xué)性能。本文主要闡述了三叉軸采用中等溫度如何利用流動控制工藝進行三叉軸加工，并確定最優(yōu)方案并進行加工實驗來驗證方案的正確性。

1 三叉軸流動控制工藝方案確定

1.1 三叉軸零件分析

從圖1中三叉軸可以看出它是中間部分為球缺形狀，周圍有三個分布均勻的軸頸互成120度分布完全對稱屬于枝杈類零件，由于其形狀特殊不適于加工，因此就其形狀和強度而言只適合鍛造。

1.2 鍛壓溫度的確定

鍛造按其溫度分為冷拔、溫鍛、熱鍛。三叉軸采用溫鍛（溫度在400-800°）即克服了熱鍛加熱溫度過高出現(xiàn)表面氧化、蛻皮等質(zhì)量差問題，又克服了冷拔溫度過低所需設(shè)備噸位大，模具要求高，易磨損等缺點，由于材料為20Cr硬度較硬所以溫度定位800°。

1.3 三叉軸毛坯材料的確定

由于三叉軸是一種高強度、高精密的傳動軸受力較大，因此材料選擇Cr20，又因三叉軸中間部分為直徑20MM的球缺形狀，并且為了盡量減小壓力機的行程，所以綜合考慮各方面因素坯料選擇為圓形且直徑為18mm，根據(jù)PRO/E或UG等三維軟件測量出三叉軸的體積，算出其長度，因此毛坯材料選直徑為18mm、長25mm的圓形棒料。

1.4 擠壓工藝方案的確定

根據(jù)三叉軸零件上下完全對稱且金屬在成形過程中流動方向與擠壓方向垂直屬于徑向擠壓，所以采用凹模中間上下水平分模。傳統(tǒng)的開式模鍛方式是采用粗墩毛坯，然后上凹模擠壓下凹模并與下凹模具合攏成形。但由于其工序步驟較多、工件精度較低、材料利用率較低、模具硬度強度要求高、模具磨損嚴重等缺點，其工藝急需改進。本文根據(jù)零件的特點設(shè)計了2種新型流動控制工藝方案。

1.4.1 方案一。采用上下凹模固定不動凸模向下擠壓如圖2，金屬性能上下各部分不均勻，并使模具磨損嚴重，縮短了模具的使用壽命。通過軟件DEFORM模擬金屬流動過程發(fā)現(xiàn)離受力遠的下部流速較快，上部較慢，上下兩部分速度差大，使零件下部應(yīng)力較大，且擠壓機行程較大。

1.4.2 方案二。采用上下凹模固定不動，凸模上下等速同時擠壓如圖3，因此方案二的行程幾乎是方案一的一半（對單個擠壓機來說，大大的縮短了行程），同時避免了方案一的上下流動速度差值大，且金屬性能各部分不均勻，使模具磨損嚴重及模具使用壽命短且擠壓機行程較大的缺點的問題。通過軟件DEFORM模擬金屬流動過程發(fā)現(xiàn)上下流速幾乎相同，中間略大，金屬流動形狀成前端突出的半球形，是合理的形狀。

1.4.3 方案的選擇。通過對以上二個方案進行比較我們發(fā)現(xiàn)：無論從外表的質(zhì)量和尺寸精度還是內(nèi)部應(yīng)力、金屬充滿程度、內(nèi)部有無氣泡、金屬流動形狀，以及模具使用壽命上看都是方案二最優(yōu)，因此最終選方案二。

2 三叉軸流動控制工藝加工實驗

為了檢驗工藝的好壞，特進行三叉軸流動控制工藝加工實驗：首先選定材料為20Cr直徑為為18mm，長度為25mm棒料進行軟化處理，選擇潤滑劑為石墨，液壓機選擇J55-1000型液壓機，模具如圖4，且在三個徑向軸頸末端設(shè)有余料倉，采用方案一工藝最終加工的實際產(chǎn)品去除余料后如圖1。經(jīng)檢驗表面精度高，無瑕疵內(nèi)部無不充滿，強度和硬度均合格，軸端幾乎不用加工，此工藝可行。

3 結(jié)語

本文主要闡述了三叉軸采用流動控制工藝如何在中等溫度下進行鍛造加工，并針對流動控制工藝設(shè)計了二種方案，并根據(jù)各方案的優(yōu)缺點確定最佳方案，同時利用已確定的最佳方案進行三叉軸加工實驗，來驗證工藝方案的正確性。此工藝不但低碳、環(huán)保，而且制件精度高幾乎不用加工，外部無瑕疵，內(nèi)部無氣孔、無不充滿現(xiàn)象。此工藝對其它枝杈類零件（如十字軸）有極大的推廣作用。

參考文獻

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[3] 胡亞民，華林等.鍛造工藝過程及模具設(shè)計[M].北京：北京出版社，2006.

作者簡介：金廣柱（1966- ），男，滿族，黑龍江佳木斯人，高級工程師，佳木斯技師學(xué)院機電工程系模具教研室，主要從事模具制造和設(shè)計研究；李偉（1967- ），男，漢族，黑龍江佳木斯人，高級工程師，佳木斯技師學(xué)院焊接系船舶教研室，主要從事焊接工與設(shè)備。