免焊長軸溫正擠成形分析

馮飛

摘要：以一種更具效率、節約加工成本的方式加工免焊長軸內球籠，本文所提及的免焊長軸內球籠是汽車的關鍵部件之一，也稱為一體式長軸內球籠。本文制定了免焊長軸內球籠的鍛造成形的工藝方案，并采用剛塑性有限元法對其成形過程進行模擬，同時在此基礎上對工藝方案進行優化，以期許一種高效、節約的加工工藝能夠替代傳統的長軸加工工藝。

關鍵詞：免焊長軸；溫正擠；減徑；有限元模擬

隨著人們生活水平的提高，汽車逐步走進千家萬戶中。汽車用等速萬向節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力和扭矩的機械部件。等速萬向節總成的輸入軸和輸出軸以等于1的瞬時角速度比傳遞運動，在傳遞動力和扭矩的同時還同步改變工作角度，進行伸縮滑移以補償傳動裝置中軸向尺寸的變化，而上述功能主要由等速萬向節總成的內球籠和外球籠實現。內球籠作為汽車的關鍵部件之一，直接關系到汽車的轉向驅動性能，對提高整個汽車的動力性、操縱性都起著至關重要的作用，并且由于其傳遞繁重的驅動力矩，承受負荷重，傳動精度高，需求量很大，又是安全件，對其強度、精度、安全性能和使用壽命都有著很高的要求，因此其主要零件均采用精鍛件加工而成。

1 工藝方案制定

免焊長軸內球籠作為等速萬向節的一種，具有成形難度較高，加工工序多且復雜，桿部細長等特點，傳統的加工方法是將長軸進行機械切削加工之后與內球籠進行摩擦焊接，這種加工方法使得材料的利用率很低，而且由于長軸是焊接上的，長軸的金屬流線與內球籠的金屬流線是斷開的，對其使用性能有所影響，而且生產工藝比較繁瑣，生產成本較高。

目前長軸的鍛造加工工藝為：下料、拋丸、涂層、加熱、鐓粗、反擠、去應力退火、拋丸、前處理、第一道減徑、去應力退火、拋丸、前處理、第二道減徑、精整、取長、校直、超聲波探傷、發貨。

溫正擠長軸的鍛造加工工藝為：下料、拋丸、涂層、加熱、正擠、鐓粗、反擠、去應力退火、拋丸、前處理、減徑、精整、取長、校直、超聲波探傷、發貨。溫正擠工藝與正常生產工藝相比較少了一道冷擠壓過程（即第一道減徑），將其與溫正擠工藝里的正擠壓鍛件頭部結合一次成形。兩者相比較而言有以下優點：①減少了第一道減徑鍛壓設備投資，降低了生產成本；②減少了減徑前的去應力退火、拋丸、前處理三道工序，既提高了生產效率也降低了生產成本。

對于需要兩道減徑的免焊長軸內球籠來說，減徑時由于冷作硬化現象，會使得桿部硬度提高，減徑量越大硬度提高越多，經過一道去應力退火后，消除桿部內應力，軟化桿部硬度，然后再拋丸前處理進行第二道減徑，以此來將桿部硬度控制在合理的加工范圍之內。倘若將正常生產工藝減少一道去應力退火、拋丸、前處理，采用兩道連續減徑，由于兩次連續的冷作硬化現象會導致桿部硬度偏高。硬度偏高會產生如下影響：①導致減徑模具拉毛，從而產品桿部拉毛，生產進行不下去；②桿部開裂；③硬度偏高，不利于后續的花鍵加工。另外，兩道減徑由于減徑量比較大的緣故可能導致減徑過程中出現桿部彎曲的現象。而溫正擠則不會出現這種狀況，其從溫鍛到減徑之間的變形量比較小，所以硬度的變化相對較小，不會出現連續減徑時硬度偏高的現象，其次，在減徑過程中受到的力相對而言比兩道減徑的小，不會出現彎曲的情況。

2 有限元模擬分析

該工件的關鍵工序是筒形部分內腔的反擠成形，需要著重關注的內腔的折疊缺陷，同時也需要關注桿部的長度。棒料經正擠后鐓粗成形，為反擠這一關鍵工序提供鍛前坯料，如果鐓粗的桿部長度比反擠的桿部長度長的話就會在反擠產生折疊現象，同樣，如果正擠桿部長度比鐓粗桿部長度長則會導致鐓粗折疊。為了深入了解反擠工序變形過程中反擠沖頭受力情況、金屬流動方向及反擠過程中是否會出現缺陷等問題，采用有限元分析軟件Deform3D將該變形的過程參數化模擬，選取近似材質ANSI1055，塑性體工件坯料溫度設置750℃，環境溫度700℃，工件的成形過程中忽略溫升效應，將模具定義為剛性，坯料與模具的接觸摩擦因子為0.25，設置主模具的行程為44mm，并將原始工件分割為20000個四面體有限單元進行分析。

由下圖所示，沖頭在接觸工件開始擠壓時受力最大，達到4500kN并趨于穩定至終了位置，除去筒形部分的端面截面積為3121.879mm2，單位面積受力約1442N/mm2。由于關鍵工序中，筒形部分在反擠時會包裹沖頭，并且金屬在變形時會產生大量的熱量，所以模具溫度上升速度較快，所以沖頭材料選用65Nb，沖頭調質硬度5860HRC，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，所以韌性及疲勞強度都比高速鋼高，并且該材料的回火溫度在520℃以上，回火溫度高，具有一定的紅硬性，適合該產品沖頭壁薄易溫升的特性。

3 結語

針對有限元分析結果，確定過程中各處飽滿以及沒有折疊缺陷產生的情況下，調整反擠孔深。由于工件桿部長度較長，在退料時會受到較大的退料力，所以將桿部的模具加工成帶有一定錐度的形狀，從而降低了退料力。通過實際生產試制，達到了預期的退料效果，能夠滿足批量生產的要求。

隨著汽車產業的不斷發展，對于等速萬向節鍛件的需求也在不斷增加，因此對于鍛件生產率的要求也在不斷提升。對于產能提升要么在現有設備的基礎上進行改進，要么增大設備投入，而對于設備投入也要爭取較小的投入獲得較大的回報，所以免焊長軸萬向節的溫正擠工藝實施還是有必要的。

參考文獻：

[1]吳詩.冷溫擠壓技術[M].北京：機械工業出版社，1995.