盲孔法蘭式內(nèi)球籠成形技術(shù)研究

沈建華

摘 要：以一種壽命更長(zhǎng)、更安全、裝配更簡(jiǎn)單的盲孔法蘭式內(nèi)球籠替代傳統(tǒng)的萬向節(jié)或法蘭內(nèi)球籠。本文提及的盲孔法蘭式內(nèi)球籠結(jié)構(gòu)，因其盲孔、薄壁特性，退料易拱曲，本文提供一種新穎的退料方式，分解退料摩擦力，并對(duì)腔底折疊情況做有限元分析，調(diào)整法蘭邊成形工序前的坯料狀態(tài)，使盲孔法蘭內(nèi)球籠生產(chǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)。

關(guān)鍵詞：盲孔法蘭；溫冷鍛造；二次退料結(jié)構(gòu)

汽車用等速萬向節(jié)總成是安裝在汽車差速器和輪轂之間或變速箱末端齒輪與輪轂之間用于傳遞動(dòng)力和扭矩的機(jī)械部件。等速萬向節(jié)總成的輸入軸和輸出軸以等于1的瞬時(shí)角速度比傳遞運(yùn)動(dòng)，在傳遞動(dòng)力和扭矩的同時(shí)還同步改變工作角度，進(jìn)行伸縮滑移以補(bǔ)償傳動(dòng)裝置中軸向尺寸的變化，而上述功能主要由等速萬向節(jié)總成的內(nèi)球籠和外球籠實(shí)現(xiàn)。內(nèi)球籠是汽車安全部件，對(duì)其強(qiáng)度、精度、安全性能和使用壽命都有著很高的要求。傳統(tǒng)的內(nèi)球籠是利用花鍵與差速器連接，花鍵依靠卡簧限位，強(qiáng)度、傳動(dòng)扭矩及使用壽命都不夠理想，且花鍵部位熱處理后易產(chǎn)生淬火應(yīng)力造成花鍵部位縱向開裂，又由于內(nèi)、外花鍵是間隙配合，長(zhǎng)期使用會(huì)形成健齒早期失效模式，導(dǎo)致傳遞動(dòng)力、扭矩反應(yīng)緩慢，造成汽車方向間隙過大甚至偏移而發(fā)生行車安全事故。

法蘭與內(nèi)球籠相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于拆裝；利用螺栓與差速器輸出部位連接，定位牢靠，產(chǎn)品強(qiáng)度及傳動(dòng)扭矩大大增強(qiáng)，用在汽車上使用更加安全，并減少了制造工序，節(jié)省了因此產(chǎn)生的設(shè)備投資，大大縮短了加工周期。本文中所述的盲孔法蘭，與傳統(tǒng)的法蘭相比，其法蘭側(cè)完全封閉，后續(xù)無需安裝悶蓋，杜絕了法蘭滲油現(xiàn)象，裝配更簡(jiǎn)單、產(chǎn)品更穩(wěn)定。

1 盲孔法蘭的成形工藝路線

常規(guī)法蘭內(nèi)球籠鍛件經(jīng)落料、拋丸、加熱、鐓粗、反擠、法蘭邊成形、去應(yīng)力退火、鋸底、拋丸、磷皂化、精整、取長(zhǎng)，而盲孔法蘭工序反擠后的工件反向放置再使法蘭邊鐓粗成形，后續(xù)也沒有鋸底工序，工序相對(duì)于傳統(tǒng)的法蘭稍有減少。

2 成形的關(guān)鍵技術(shù)

盲孔法蘭的法蘭邊成形工藝顛覆了傳統(tǒng)法蘭邊的鐓粗方式，將工件倒扣在下模沖頭上，上模下行完成法蘭邊成形工序。該工序成形的難點(diǎn)在于盲孔法蘭邊的成形以及該工序的退料問題。

圖1 法蘭邊成形模具結(jié)構(gòu)

盲孔法蘭為減重，設(shè)計(jì)成筒形凹面結(jié)構(gòu)，這樣更加大了溫?cái)D退料的難度，筒形壁厚過薄，無法在筒形上利用多根細(xì)退料桿或者是環(huán)形退料器退料，我們把退料位置安排在筒形腔底的平面上，這樣經(jīng)過試制后發(fā)現(xiàn)，由于退料器較大，且集中在腔底，退料后腔底發(fā)生較大的變形，表現(xiàn)為法蘭邊外側(cè)中心鼓起、內(nèi)測(cè)凹陷。故我們第二次改進(jìn)，使用二次退料結(jié)構(gòu)，即在沖頭下端面開螺紋孔并安裝限位座，初起退料時(shí)，工件與沖頭一起推出，至限位螺栓觸碰到壓力塊端面時(shí)，沖頭無法上行，中間的退料頂桿單獨(dú)將工件頂出脫離沖頭。這樣做的原理是減小退料摩擦力，初起退料時(shí)，工件與沖頭一起上行，只受到工件與凹模的摩擦力，后期頂桿將工件頂出脫離沖頭時(shí)，工件僅收到內(nèi)腔和沖頭之間的摩擦力。將整段退料的摩擦力分解，退料力減小約一半，退料后的工件端面平整，且退料頂桿的壽命大大增加。

3 法蘭邊成形工序的數(shù)據(jù)分析

法蘭邊成形工序另一個(gè)需要關(guān)注的焦點(diǎn)是內(nèi)腔的折疊缺陷，工件經(jīng)反擠后形成筒形型腔，因下料后重量略有偏差，以及過程中加熱溫度稍有不同，反擠孔深有所差異，反擠孔深過深的，在鐓粗法蘭邊時(shí)候，筒形內(nèi)腔處金屬流動(dòng)有交匯處，形成折疊缺陷。折疊缺陷是鍛件致命的缺陷之一，在后期熱處理時(shí)會(huì)累計(jì)應(yīng)力，使用過程中發(fā)生斷裂的概率較高。我們?cè)诳刂茰囟群椭亓康耐瑫r(shí)，合理設(shè)計(jì)出反擠與鐓粗法蘭邊兩道工序筒形深度高度差就顯得尤其重要。

為深入了解鐓粗法蘭邊成形過程中的受力情況及金屬流動(dòng)方向，我們采用有限元模擬分析軟件DEFORM3D將該變形過程參數(shù)化模擬，選取近似材質(zhì)ANSI1055，工件溫度800℃，坯料與模具的接觸摩擦因子為0.25，設(shè)置主模具終了行程20mm，并將原始工件分割為50000個(gè)四面體有限單元進(jìn)行分析。

由圖所示，法蘭邊鐓粗飽滿時(shí)壓力需要10.4MPa，故采用1000T設(shè)備生產(chǎn)線，沖頭材質(zhì)選用65Nb，調(diào)質(zhì)硬度5860HRC，該材質(zhì)與高速鋼的淬火組織中的化學(xué)成分相同，但其不含有大量的未溶碳化物，所以韌性和疲勞強(qiáng)度均優(yōu)于高速鋼，且65Nb回火溫度在520℃以上，回火溫度高，具有一定的紅硬性，適合該產(chǎn)品始鍛溫度高、沖頭容易溫升的特性。通過多輪數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反擠孔深比鐓粗孔深淺5mm左右為宜，反擠孔淺成形不易飽滿，反擠孔過深則有缺陷風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

針對(duì)有限元分析結(jié)果，在確定過程中各處飽滿以及沒有折疊缺陷產(chǎn)生的情況下，調(diào)整反擠孔深。針對(duì)退料力過大，將退料器正常退料調(diào)整為先退凹模再退沖頭的二次退料結(jié)構(gòu)，大大的降低了退料力，產(chǎn)品端面平整。通過實(shí)際試制，達(dá)到預(yù)期效果，滿足批量生產(chǎn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳詩.冷溫?cái)D壓技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.