一體式滑移軸套結構的研發

沈建華

摘要：以一種具有抗震、抗沖擊力的滑移軸替代傳統汽車等速萬向節中的半軸結構，本文提出一種免焊接的一體式滑移軸套結構，并對因該軸套深孔、長柄易產生產品同軸度超差、筒形壁厚差超差、沖頭易磨損的情況分析并作出改善，優化后的成品金屬流線連續、完整并呈現對稱分布，相對于傳統的焊接式滑移軸套而言，強度、安全性更高。

關鍵詞：汽車半軸；滑移軸套；溫冷鍛造

近年來，我國汽車行業發展迅猛，據統計，2016年我國年產汽車2800余萬輛，已連續8年蟬聯全球第一。同時隨著人民生活水平的不斷提高，越來越多的人開始追求駕乘的舒適度和安全性。汽車用等速萬向節是汽車重要的機械部件，其安裝在汽車差速器與輪轂之間或變速箱末端齒輪與輪轂之間，用于傳遞動力和扭矩。傳統的等速萬向節總成多由內球籠、外球籠和中間半軸等構成，近年來國內借鑒國外先進技術，在農機、沙灘車等惡劣情況下運行的車型中，將滑移軸結構取代簡單的中間半軸，因滑移軸結構的等速萬向節總成可以減小外球籠傳遞的震動和沖擊力，可以有效防止半軸的斷裂，同時提高駕乘人員的舒適度。因此，可以預想，今后越來越多的車型會應用具有滑移軸結構的等速萬向節總成。

滑移軸結構包含滑移軸、滑移軸套、保持架和鋼球，本文中所述的一體式滑移軸套即屬于滑移軸套中的一種。

1 一體式滑移軸套的優勢

滑移軸按成形形式可分為一體式滑移軸套和需焊接式滑移軸套，需焊接式滑移軸套采用純冷鍛鍛造，工序為落料、球化退火、鉆孔制坯、拋丸、磷皂化、溝道成形，球化退火時間長，鉆孔制坯材料利用率低，且大變形的冷擠壓使得材料在擠壓變形中冷作硬化現象嚴重，模具拉毛修復后尺寸變化；一體式滑移軸采用溫、冷鍛造結合的工藝，其工序為落料、拋丸、溫鍛流水線（涂層、加熱、正擠、反擠、控溫冷卻）、拋丸、磷皂化、精整溝道，其工序數雖比需焊接式多，但無球化退火和鉆孔制坯等高耗時、低效率的工序，因此生產周期兩者相當。

一體式滑移軸套的優點在于：提高材料利用率，需焊接式滑移軸需預先鉆孔等工序，材料利用率僅為70%左右（需預先鉆孔），而一體式滑移軸可以做到近凈成型，機加工余量非常小；需焊接滑移軸套在后續焊接工序中易產生各種焊接缺陷，而一體式滑移軸桿部通過溫鍛擠壓成形，筒形與桿部金屬纖維連續，產品力學性能得到改善，整軸中沒有脆性斷裂的風險。

2 成形的關鍵技術

一體式滑移軸套采用溫、冷鍛造結合的工藝，其關鍵成形工序在于溫鍛反擠工序，因一體式滑移軸套結構表現為筒深、柄細長，控制的難點在于桿部同軸度的控制和筒形壁厚差的控制上，以及合理的上沖頭壽命。因柄部校直會使筒形溝道變形，柄部與筒形的同軸度只能通過溫鍛控制，一般小直徑的溫鍛后道工序比前一道工序凹模大0.3左右，以便前道工序鍛打后的工件能夠順利放入后道工序的型腔中。本文中一體式軸套反擠工序桿部上部分直徑比正擠大0.3，最下面約20mm位置處直徑比正擠小0.2mm，以使在反擠工序中桿部通過溫減徑貼合模具，保證桿部與筒形外圓同軸。考慮到正擠件放入反擠擠壓筒存有間隙、模具裝配精度和機床剛性等原因，可能導致筒形壁厚差偏大的情況，在反擠凹模上安裝沖頭套導向套，使沖頭在接觸工件前先定位。解決同軸度和壁厚差問題后，最關鍵的就是溫擠反擠沖頭的壽命了，因反擠沖頭細長，反擠過程中較容易發生因受徑向剪切力而斷裂和沖頭端面磨損變形的事故，我們通過對沖頭結構的調整改變金屬的流動能力和沖頭的受力情況。

3 關鍵工序的數據分析

本工件的關鍵工序是反擠筒形的成形。落料后的棒料經溫鍛正擠壓成形，為關鍵工序提供鍛前坯料，為深入了解反擠壓工序變形過程中沖頭受力狀況、金屬流動方向及過程中是否會出現缺陷等問題，我們采用有限元模擬分析軟件DEFORM-3D將該變形過程參數化模擬，選取近似材質ANSI-1035，環境及塑性體工件溫度設置700℃，成形過程忽略溫升效應，模具定義為剛性，坯料與模具的接觸摩擦因子為0.25，設置主模具終了行程52mm，并將原始工件分割為50000個四面體有限單元進行分析。

由圖所示，沖頭在剛接觸工件開始反擠時受力最大，達到1090kN并趨于穩定至終了位置，六溝道形狀沖頭截面面積1225mm2，單位面積受力約890N/mm2，沖頭材質選用65Nb，調質硬度58-60HRC，該材質與高速鋼的淬火組織中的化學成分相同，但其不含有大量的未溶碳化物，所以韌性和疲勞強度均優于高速鋼，且65Nb回火溫度在520℃以上，回火溫度高，具有一定的紅硬性，適合該產品沖頭細長、容易溫升的特性。為優化產品流線，同時緩解上沖頭端面R角翻邊，在不影響客戶使用的情況下，將沖頭端面加工成5°斜面，便于金屬的定向流動。通過有限元分析軟件計算，5°斜面沖頭流線更佳，且擠壓力有所降低。

4 結語

針對有限元分析結果，在確定過程中沒有缺陷產生及沖頭強度足夠的情況下，為改善產品流線，增加沖頭壽命，將沖頭平端面改成斜端面，溫鍛生產過程中，對沖頭進行水冷，保證沖頭不會因溫度上升過高而回火軟化變形，通過有限元分析評估，并經實際生產驗證，沖頭壽命和產品同軸度均達到預期效果，滿足批量生產要求。

參考文獻：

[1]吳詩.冷溫擠壓技術[M].北京：機械工業出版社，1995.