多向模鍛工藝在汽車叉軸鍛造的應用

文/戴偉燕·球豹閥門有限公司

胡艷軍·中冶重工(唐山)有限公司

叉軸類零件作為傳遞動力的重要零件，廣泛應用于汽車、工程機械等領域，其作用是與變速箱、驅動橋等一起將動力傳遞給車輪。目前中國汽車年產銷量近3000 萬臺，作為動力傳動的關鍵零部件，需求量巨大。

圖1 是某機型叉軸零件圖，由于叉軸類產品結構比較復雜，截面沿軸向變化較大，目前傳統的叉軸鍛造多采用模鍛錘生產，工藝路線為：下料→加熱→制坯→加熱→預鍛→終鍛→切邊。傳統的鍛造工藝需要2 次加熱、4 道工序，生產成本高，生產效率低，同時還會產生大量的切邊廢料和氧化燒損，為了解決這些問題，我公司對叉軸的鍛造工藝進行了升級研發。

鍛造工藝制定

由于傳統工藝火次、工序多，飛邊廢料大，能源消耗和成本較高，我公司著重從解決這幾個問題上制定鍛造工藝，最終選擇采用多向模鍛工藝，減少鍛造工序和投料重量，降低能源消耗。

多向模鍛是近幾年興起的鍛造新工藝，它是在模鍛工藝的基礎上進行升級，通過多向模鍛液壓機實現的一種模鍛和擠壓復合的鍛造工藝。相比傳統的模鍛工藝，多向模鍛工藝可以一火一次完成復雜鍛件的無飛邊鍛造，鍛件具有投料重量輕，成形質量好，成形精度高，毛坯形狀更復雜、更接近成品形狀等優點。但是多向模鍛工藝的成形模具結構更復雜，模具成形動作更復雜，對工藝設計和參數控制要求更高。

根據多向模鍛工藝的特點，我公司初步設計了該叉軸的多向模鍛鍛件。初步擬定了多向模鍛工藝路線為：加熱→多向模鍛。僅需一次加熱、一次鍛造即可鍛造出無飛邊的叉軸鍛件。

仿真模擬和設計優化

試制前通過DEFORM模擬仿真軟件對多向模鍛過程進行模擬，旨在提前發現鍛造缺陷，提高試制成功率，縮短開發周期，降低成本。

多向模鍛是一種以擠壓為主，擠壓和模鍛復合成形的閉式鍛造工藝，多向模鍛的主要優勢是能夠成形形狀復雜、有內腔的鍛件，鍛件在三向壓應力狀態下成形，可變形量增大，流線完整，最終鍛造的鍛件產品無飛邊，機械性能優越。

該叉軸鍛件有一段細長柄和端部一個分叉結構，限制了產品模具的分模面和分模方向的選擇，我公司的多向模鍛液壓機功能參數見表1。

表1 我公司的多向模鍛液壓機功能參數

結合該叉軸產品的結構特點和我公司的設備能力，最終采用左右分模、垂直擠壓、前后擠孔充滿的工藝路線，通過垂直方向的擠壓完成端部分叉結構的分料，最后通過前后擠孔完成鍛件最終的成形。

圖2、圖3 是叉軸鍛件多向模鍛工藝成形過程模擬仿真結果，鍛件材質為40Cr，通過Gleeble-3500熱模擬試驗機獲得該材料高溫下的物理熱力學數據，建立該材料的模型導入仿真模擬軟件，始鍛溫度為1200℃，并根據經驗設置摩擦系數、熱傳導系數等邊界條件，確保模擬結果盡可能真實。

通過鍛造過程的模擬結果可以看出，在叉軸鍛件的成形過程中，材料流動順暢，無折疊、夾層等缺陷出現。

圖4 是對鍛造完成后鍛件的溫度場模擬結果，可以看出，鍛造完成時，鍛件溫度均在終鍛溫度之上，且各部分溫降相對均勻，鍛件沒有局部溫降過大的情況出現。

模具設計和開模試制

通過前期對該產品多向模鍛工藝的仿真模擬，初步判斷該多向模鍛工藝成形比較合理，鍛件無明顯缺陷，隨后我公司開始著手模具設計和生產。

根據鍛件的結構特點和我公司的多向模鍛液壓機功能參數情況，確定了該叉軸鍛件的鍛造工藝路線，并設計了該產品多向模鍛模具，模具主要由五部分組成：垂直擠壓凸模一件、左右水平方向的合模凹模兩件以及前后水平方向的擠孔凸模兩件，模具結構簡圖如圖5 所示。

模具投料加工完成后，我公司按照設計的工藝路線進行了該叉軸產品的鍛造試制，首先左右凹模在多向模鍛液壓機的驅動下合模形成封閉型腔，取出加熱完成后的原材料放入型腔，隨后垂直擠壓凸模開始向下擠壓，擠壓到位后完成鍛件分叉的分料，最后前后擠孔凸模擠孔成形，完成產品最終的鍛造，再依次開模取出鍛件，完成整個鍛件試制。本次試制一次成功，順利完成叉軸的鍛造并批量投產，在實際生產中最終驗證了模擬和設計的結果。

圖6 為我公司實際鍛造生產的叉軸多向模鍛鍛件，產品無飛邊，投料重量輕，材料利用率超高，成形精度高，大大節約了機加工工時，達到了降本增效的目的，而且產品流線完整，各項機械性能較傳統模鍛件均有顯著的提高，市場競爭力優勢明顯。

結束語

叉軸作為汽車傳動系統的重要零部件，對產品的性能要求高，需求量大，傳統的鍛造工藝生產叉軸工序繁多，能源消耗大，投料重量重，多向模鍛工藝的運用能夠大大減少叉軸鍛造的生產工序，提升產品性能，同時還能減少能源消耗，降低投料重量，符合國家和社會對制造業公司節能降耗、降本增效的要求，在日益劇烈的市場競爭中有著巨大的優勢，而鍛造仿真模擬的運用又能大大縮短產品試制的周期，降低試制的成本，多向模鍛工藝和鍛造模擬仿真相結合，相得益彰。