等速傳動軸固定節鍛件金屬流線控制方法及研究

文／趙政，楊金成·上海納鐵福傳動系統有限公司

汽車傳動軸是車輪轉動的直接驅動件，汽車運行時，發動機輸出的扭矩經過多級變速傳遞給傳動軸，再由傳動軸傳遞到車輪上，推動汽車前進或倒行，是汽車傳遞扭矩的一個重要零件。固定節外星輪是汽車傳動軸的主要受力部件，工作情況極其復雜，它的性能優劣直接影響汽車傳動的安全性和可靠性。

所謂金屬流線是指金屬的雜質、化合物、偏析、晶界等在低倍試片上沿主伸長變形方向呈纖維分布的組織，也稱為金屬纖維組織。鍛件流線分布取決于變形成形工藝及模具設計。固定節外星輪精鍛件是汽車零部件中最難以成形的部件之一，目前我國生產的外星輪仍然存在加工余量大且不均勻、鍛件熱成形充不滿、材料利用率低、金屬流線分布不合理等問題。

本文提出的改變外星輪鍛件成形工步坯料頭部中心預成形孔的設計流線控制方法，使鍛件內部的金屬流線按照鍛件基本外形及外星輪球道基本輪廓分布，金屬流線較為合理，使力學性能更佳，外星輪球道更耐磨損，提高其路試試驗壽命，避免汽車傳動軸產生異響，提高汽車NVH性能。

固定節路試壽命試驗件檢測及金屬流線檢測

檢測評級

某型汽車等速傳動軸固定節外星輪路試壽命試驗失效件宏觀形貌見圖1，其球道磨損深度及磨損面積根據公司《球籠式萬向節的標準損害評定等級》評級為2～3級，不能滿足壽命試驗，路試試驗失敗。

圖1 失效件宏觀形貌

金屬流線檢測

把固定節路試壽命試驗件縱向沿著球道割開，然后檢測金屬流線，結果如圖2所示。球道部位流線有回流現象，流線分布不好，初步分析認為流線導致路試壽命降低，需要改進鍛件球道流線。

圖2 失效件金屬流線低倍組織

固定節外星輪鍛件成形及流線控制

成形工藝流程及流線控制影響因素

汽車等速傳動軸固定節外星輪鍛件的成形工藝流程，主要包括下料、在機械壓力機上溫鍛生產預成形溫鍛件毛坯，在液壓機上冷精整成形獲得具有球形型腔和曲線滾珠球道的外星輪精鍛件，其球形內表面和滾珠球道內表面僅留約0.2mm的磨削余量。其工藝流程為：鋼材檢驗→落料→坯料拋丸→預加熱→預涂石墨→最終加熱→溫鍛（四工步成形）→可控冷卻→鍛件拋丸→皂化→冷精整→終檢。

其中四工步溫鍛成形的溫鍛件對金屬流線分布有直接影響，從理論上講，流線應沿鍛件基本外形分布。在實際生產中，由于成形工藝及模具設計不合理等原因，往往導致模鍛變形時金屬流向不一，流量不均，流線不按理想分布。

DEFORM軟件模擬分析金屬流線形成過程

用DEFORM軟件進行溫鍛件成形工步流線形成過程模擬分析，不同成形工藝及模具設計流線分布均不同，成形工藝及模具設計對流線分布有直接的影響。根據模擬結果選擇流線分布最優的一種，成形工藝及流線模擬結果如圖3所示。

成形工藝及流線控制方法

根據DEFORM模擬結果選擇流線控制分布最優的一種，其總體成形工藝及模具設計如圖4所示。

在溫鍛壓力機上采用四個工位模具型腔進行四工步溫鍛成形，最終將外星輪溫鍛件毛坯柄部擠壓成形為精鍛件所需尺寸，第四工步溫鍛件示意圖如圖5所示。溫鍛件毛坯頭部（圖5中B部分）關鍵尺寸系數為：冷精整頭部變形開始點與球面中心線夾角θ為12°～15°，頭部變形角α為12°～15°，第四工位溫鍛件體積與外星輪精鍛件體積相同，此溫鍛件可在液壓機上冷精整成形獲得具有球形型腔和曲線滾珠球道的外星輪精鍛件。θ與α角度設計直接影響冷精整沖頭壽命與精鍛件碗口充滿情況。此時，溫鍛件的金屬流線分布又直接決定了最終精鍛件的金屬流線分布。

圖3 固定節外星輪溫鍛件流線形成過程

圖4 四工步溫鍛成形工藝及模具設計示意圖

圖5 第四工步溫鍛件示意圖

圖6 第三工步溫鍛坯料示意圖

溫鍛第三工步成形坯料的成形工藝設計如圖6所示，影響金屬流線的坯料頭部關鍵設計為頭部中心成形一錐形孔，其關鍵尺寸系數為：口部大徑尺寸F1=四工位溫鍛件球形型腔球面直徑E-(5～10) mm、錐角γ1為20°～30°、錐形孔深度H1為6～12mm；此錐形孔設計使第四工位溫鍛件成形時金屬流線按照鍛件基本外形及外星輪球道基本輪廓分布；三工位毛坯體積與四工位溫鍛件體積相同。

改進后金屬流線及壽命試驗件檢測

改進后金屬流線的檢測

對改進流線后固定節外星輪沿著球道縱向割開，然后檢測金屬流線，鍛件內部的金屬流線按照鍛件基本外形及外星輪球道基本輪廓分布（圖7），金屬流線較為合理。

圖7 改進后固定節外星輪金屬流線低倍組織

改進后壽命試驗件檢測評級

對固定節外星輪改進流線后等速傳動軸再次進行壽命試驗，固定節外星輪路試壽命試驗失效件宏觀形貌如圖8所示。其球道磨損深度＜0.03mm，絕對偏差為0.015 mm；每個鋼球道磨損面積＜9mm2；根據公司《球籠式萬向節的標準損害評定等級》評級為6級，滿足壽命試驗要求。

圖8 改進流線后固定節外星輪試驗件宏觀形貌

結論

⑴根據DEFORM模擬分析及生產驗證、金屬流線檢測表明，選擇合適的外星輪鍛件成形工藝坯料頭部中心預成形孔的設計方法，能夠有效的控制其金屬流線分布，使鍛件內部的金屬流線按照鍛件基本外形及外星輪球道基本輪廓分布，金屬流線較為合理。

⑵等速傳動軸固定節外星輪鍛件金屬流線的分布情況，對其壽命試驗有較大的影響；如果金屬流線較為合理，使力學性能更佳，外星輪球道更耐磨損，可提高其路試試驗壽命；對避免汽車傳動軸產生異響，提高汽車NVH性能有一定的借鑒意義。