帶外斜球道的汽車外星輪精鍛工藝開(kāi)發(fā)

文／曾凡·上海納鐵福傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司

針對(duì)帶斜球道的萬(wàn)向節(jié)外星輪，開(kāi)發(fā)了一種可以直接鍛出其外斜球道的精鍛工藝。首先設(shè)計(jì)了彈性可開(kāi)合的冷精整沖頭以及帶外側(cè)凸耳的溫鍛毛坯。然后構(gòu)建了該零件所用材料的流動(dòng)應(yīng)力模型，并將該模型耦合進(jìn)商用有限元軟件，建立了相應(yīng)的數(shù)值模擬方案。隨后通過(guò)仿真模擬獲得了初始的冷精整坯料形狀尺寸，設(shè)計(jì)了初始的四道序溫鍛＋冷精整工藝方案。進(jìn)一步的基于有限元模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)與毛坯尺寸進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案小批量試制獲得的結(jié)果表明，該工藝穩(wěn)定可靠，可以省去后續(xù)粗銑道序，鍛件材料重量由2360g 降低至2150g，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

萬(wàn)向節(jié)是實(shí)現(xiàn)汽車傳動(dòng)系動(dòng)力傳輸?shù)年P(guān)鍵裝置，可實(shí)現(xiàn)兩根軸線不平行的轉(zhuǎn)軸間的轉(zhuǎn)速與扭矩傳遞，解決了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪軸向不在同一位置時(shí)的動(dòng)力傳輸、適應(yīng)轉(zhuǎn)向和汽車行駛時(shí)的上下跳動(dòng)與角度變化問(wèn)題，相當(dāng)于汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)的“關(guān)節(jié)”。VL 型萬(wàn)向節(jié)是一種可伸縮型球籠式等速萬(wàn)向節(jié)，如圖1 所示，該萬(wàn)向節(jié)的外星輪通常具有兩組對(duì)向分布的外斜球道。若采用常規(guī)直球道外星輪溫鍛＋冷精整的方式鍛出外斜球道，沖頭沿軸向退出時(shí)將與零件干涉，不具備脫模條件。目前在大批量生產(chǎn)中，該外星輪零件通常采用熱鍛或溫鍛方式鍛出柄部和圓筒狀碗部，再采用銑削加工出外斜球道，加工效率相對(duì)較低。同時(shí)球道區(qū)域的金屬材料成為鐵屑廢料，降低了材料利用率。此外球道是工作時(shí)承受滾球運(yùn)動(dòng)載荷的主要區(qū)域，球道部分的金屬流線被機(jī)加工切斷，也降低了零件的使用壽命。因此，開(kāi)發(fā)出一種直接鍛出外斜球道的工藝方法對(duì)于提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 VL 型萬(wàn)向節(jié)外星輪示意圖

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展，有限元數(shù)值模擬的理論研究與技術(shù)積累逐步成熟。通過(guò)數(shù)值模擬，了解材料變形過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)方式、應(yīng)力分布、流線情況、填充情況以及成形載荷等。對(duì)于精鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)、坯料設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇以及成形質(zhì)量的控制等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文借助有限元數(shù)值模擬工具，與工程實(shí)踐相結(jié)合，給出了一種新型冷精整模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)工藝，以期實(shí)現(xiàn)帶外斜球道的VL 型萬(wàn)向節(jié)外星輪鍛件的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

冷精整工藝開(kāi)發(fā)

現(xiàn)有冷精整模具結(jié)構(gòu)

要采用精鍛方式鍛出球道，必須首先解決冷精整完成后沖頭的脫模問(wèn)題。圖2 所示為本公司現(xiàn)有外星輪工藝的冷精整模具結(jié)構(gòu)示意圖。對(duì)于球道精整變形量較小的節(jié)型，該結(jié)構(gòu)可以順利實(shí)現(xiàn)坯料的冷精整。但將該結(jié)構(gòu)用于VL 節(jié)型的冷精整時(shí)，沖頭的轉(zhuǎn)角連接處提前出現(xiàn)了裂紋，如圖2 所示標(biāo)出的裂紋出現(xiàn)的位置。分析認(rèn)為，鍛件成形過(guò)程中，沖頭轉(zhuǎn)角處下方受到朝外側(cè)的側(cè)向壓力；而脫模過(guò)程中，芯棒抽出后，同一位置受到了朝內(nèi)側(cè)的側(cè)向壓力。每精整一個(gè)鍛件，該區(qū)域都將承受一次交變剪切應(yīng)力。而VL 節(jié)型在冷精整時(shí)，變形量大，脫模時(shí)的彈性變形行程也更大，導(dǎo)致該交變剪切應(yīng)力的值也更大，最終導(dǎo)致沖頭轉(zhuǎn)角連接處的金屬材料因疲勞發(fā)生了開(kāi)裂。

圖2 SDS 現(xiàn)有冷精整沖頭結(jié)構(gòu)

針對(duì)這一問(wèn)題，日本Nichidai 公司開(kāi)發(fā)了一種組合型冷精整模具結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。該方案將沖頭拐角處做了分塊處理，這一方案的優(yōu)勢(shì)在于消除了沖頭拐角連接處的疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。但該方案需要將沖頭頭部與工作部分進(jìn)行裝配，對(duì)裝配精度的要求較高。同時(shí)脫模時(shí)通過(guò)氣動(dòng)彈簧推動(dòng)沖頭朝內(nèi)部合攏實(shí)現(xiàn)脫模，模具結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且需要增加相應(yīng)的工裝。

圖3 Nichidai 公司冷精整沖頭結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后冷精整模具結(jié)構(gòu)

為解決現(xiàn)有模具方案存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種彈性可開(kāi)合的冷精整沖頭，如圖4 所示。該沖頭上部區(qū)域?yàn)楸”谥蓖残螤睿虏繀^(qū)域外側(cè)形狀與零件內(nèi)腔一致，具有六個(gè)外斜球道特征，球道中心線與軸向夾角為16°，內(nèi)側(cè)具有錐形通孔。為實(shí)現(xiàn)彈性脫模，沖頭的六個(gè)斜球道每?jī)蓛芍g開(kāi)有一個(gè)矩形槽用于彈性脫模，槽寬t ≥(πdmax-πdmin)/6+1，其中dmax為所有球道輪廓的外切圓直徑，dmin為零件內(nèi)腔圓筒面的直徑。沖頭內(nèi)腔配有對(duì)應(yīng)的芯棒和芯套，芯棒上部區(qū)域?yàn)閳A柱形，下部區(qū)域?yàn)殄F形，錐度與沖頭下部?jī)?nèi)孔匹配。芯套為筒形，內(nèi)孔尺寸與芯套上部形狀匹配。芯棒與芯套的軸向相對(duì)位置可調(diào)。

圖4 優(yōu)化的冷精整沖頭形狀

圖5 所示分別為變形前、變形后脫模前、脫模后的模具狀態(tài)。冷精整開(kāi)始時(shí)，彈性可開(kāi)合沖頭向下運(yùn)動(dòng)伸入溫鍛毛坯內(nèi)腔，同時(shí)芯棒和芯套伸入并脹緊沖頭。然后沖頭繼續(xù)下壓完成冷精整變形，實(shí)現(xiàn)零件收口；隨后向上抽出芯棒和芯套，使沖頭可依靠材料彈性朝內(nèi)側(cè)松開(kāi)。最后向上拔出沖頭，完成脫模。

圖5 冷精整沖頭工裝示意圖

該方案的優(yōu)勢(shì)在于，精整成形時(shí)側(cè)向力作用在芯棒與錐形通孔的區(qū)域，沖頭連接處幾乎不會(huì)受到剪切力的影響，從而降低了循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)沖頭仍保持整體式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和裝配方便，適合大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。

冷精整毛坯形狀設(shè)計(jì)

由圖1 可知，該零件的6 組球道中軸線兩兩之間交替呈“╱ ╲”和 “╲ ╱”形分布，由于冷精整毛坯由溫鍛鍛出，為保證溫鍛順利脫模，在毛坯的球道輪廓線上方均應(yīng)確保沒(méi)有金屬材料。這就導(dǎo)致冷精整過(guò)程中“╲ ╱”形上方所需流入的材料要遠(yuǎn)大于“╱╲”形。為了使冷精整過(guò)程中材料盡量沿徑向流動(dòng)，減小材料沿周向穿流可能導(dǎo)致的裂紋風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有外側(cè)凸耳的溫鍛毛坯。如圖6 所示，在“╲ ╱”形外側(cè)輪廓線設(shè)計(jì)了3 個(gè)凸出的部分，目的是使毛坯上部筒形區(qū)域的金屬材料沿周向預(yù)分布。與傳統(tǒng)具有圓形外輪廓線的毛坯相比，新設(shè)計(jì)冷精整過(guò)程中壁厚的減薄變形程度更均勻，有利于降低局部應(yīng)力，減少因局部扭轉(zhuǎn)造成的裂紋風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少了材料沿周向的流動(dòng)時(shí)與模具表面間產(chǎn)生的摩擦力，有利于降低總成形力。

圖6 具有凸耳的溫鍛毛坯

精鍛工藝設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬方案的構(gòu)建

為了確定具體的毛坯尺寸形狀與各工位工件形狀尺寸，減少模具調(diào)試的次數(shù)，考慮預(yù)先對(duì)該鍛件的精鍛過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，獲得充填飽滿與無(wú)折疊風(fēng)險(xiǎn)的毛坯形狀。

材料流動(dòng)應(yīng)力模型構(gòu)建

金屬材料在塑性變形的過(guò)程中，變形抗力會(huì)隨著變形程度的增加不斷變化，這將直接影響材料的流動(dòng)情況，進(jìn)而決定成形結(jié)果。國(guó)際冷鍛組織2014 年發(fā)布的年度報(bào)告中指出，選擇合適的材料流動(dòng)應(yīng)力模型，準(zhǔn)確描述材料流動(dòng)應(yīng)力行為，是有限元模擬成功的先決條件，直接影響最終的求解精度。因此，本文首先進(jìn)行了所用材料流動(dòng)應(yīng)力數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。

本文所開(kāi)發(fā)外星輪使用的材料牌號(hào)為吉?jiǎng)P恩公司內(nèi)部牌號(hào)UC1(類似國(guó)標(biāo)55#中碳鋼)，材料成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)所用UC1 材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用Gleeble 1500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)定該材料在精鍛成形條件下的流變應(yīng)力力學(xué)性能。試驗(yàn)溫度范圍850℃～1000℃，應(yīng)變速率范圍0.1s-1～10s-1。由于萬(wàn)向節(jié)外星輪精鍛通常是在受壓條件下發(fā)生的復(fù)雜的體積塑性成形過(guò)程，本試驗(yàn)選用坯料尺寸為φ8mm×12mm 的小圓柱，對(duì)其進(jìn)行單道次高溫壓縮試驗(yàn)，最大變形量控制在60%，變形時(shí)試件處于氬氣氣氛保護(hù)下，防止其表面產(chǎn)生氧化皮影響成形過(guò)程。

如圖7中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，分別測(cè)量了材料在0.1 s-1，0.5s-1，1s-1，10s-1應(yīng)變速率和850℃，900℃，950℃，1000℃溫度條件下的流動(dòng)應(yīng)力曲線。由圖中數(shù)據(jù)可以看出，在該變形條件范圍內(nèi)，應(yīng)變速率不變時(shí)，溫度越高，應(yīng)力越小；溫度不變時(shí)，應(yīng)變速率越快，應(yīng)力越大；此外，隨著應(yīng)變的增長(zhǎng)，流動(dòng)應(yīng)力先逐漸增長(zhǎng)，當(dāng)應(yīng)變累積到一定程度時(shí)，應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后逐步減低并趨于穩(wěn)定。而在應(yīng)變速率為10s-1時(shí)，曲線未出現(xiàn)明顯的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力值。

圖7 不同變形條件下的熱壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

由熱壓縮試驗(yàn)結(jié)果可知，該材料流動(dòng)應(yīng)力的大小受到變形過(guò)程中溫度、應(yīng)變以及應(yīng)變速率參數(shù)的影響。參考文獻(xiàn)中的建模方法，本研究通過(guò)Arrhenius 模型建立了各參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，將模型預(yù)測(cè)應(yīng)力結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，如圖8 所示。

圖8 不同變形參數(shù)條件下的預(yù)測(cè)應(yīng)力值與試驗(yàn)測(cè)得應(yīng)力值比較

使用相關(guān)系數(shù)(Correlation Coefficient, R)、均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)以及平均絕對(duì)相對(duì)誤差(Average Absolute Relative Error ,AARE)評(píng)價(jià)模型結(jié)果的可靠性。通過(guò)計(jì)算得到R=0.927、RMSE=8.245MPa、AARE=4.768%，絕對(duì)值相對(duì)較小。誤差產(chǎn)生自建模時(shí)的線性擬合誤差以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差。可認(rèn)為所得的材料流動(dòng)應(yīng)力Arrhenius 模型可靠性較好。

冷精整有限元模擬

將前文建立的材料流動(dòng)應(yīng)力模型導(dǎo)入DEFORM 3D 商用有限元模擬軟件，結(jié)合剛粘塑性有限元方法，構(gòu)建了該零件冷精整過(guò)程的有限元分析模型。其中模擬過(guò)程中的關(guān)鍵模擬參數(shù)設(shè)置情況，如表2 所示。

表2 冷精整關(guān)鍵模擬參數(shù)

如圖9 所示，建立了冷精整過(guò)程的有限元模擬模型。為了提升運(yùn)算效率，節(jié)省單個(gè)算例的計(jì)算時(shí)間，對(duì)模擬過(guò)程做了部分簡(jiǎn)化。模具類型設(shè)置為剛體，工件設(shè)置為塑性體，不考慮其成形過(guò)程中的彈性變形。工件根據(jù)其幾何對(duì)稱特性選用1/6 模型，從而減少有限單元的數(shù)量。冷精整過(guò)程的仿真模擬主要是為了得到合理的冷精整坯料形狀，也就是獲得溫鍛件的形狀尺寸，同時(shí)得到合理的冷精整沖頭與凹模尺寸形狀。通過(guò)反復(fù)迭代優(yōu)化計(jì)算，最終得到了工件充填飽滿的設(shè)計(jì)方案。

圖9 冷精整有限元模擬方案示意圖

溫鍛工藝設(shè)計(jì)與有限元模擬

根據(jù)之前獲得的優(yōu)化后的溫鍛件形狀尺寸，設(shè)計(jì)了與之相匹配的四道序溫鍛工藝方案。溫鍛工步如圖10 所示，一工位到四工位成形工藝為分別擠小柄，擠大柄，內(nèi)腔形狀預(yù)鍛成形，最終成形四步。通過(guò)以上分步成形的方式有效均布?jí)簷C(jī)載荷及滿足圓周跳動(dòng)工藝要求。由于毛坯形狀較復(fù)雜且對(duì)外形尺寸有高精度要求，四工位模具設(shè)計(jì)采用封閉式模腔方案控制外形凸耳和內(nèi)腔球道的充足程度以及分模面飛邊毛刺高度。分模面設(shè)計(jì)在凸耳邊緣最大截面處，有利于從模腔中順利取出零件，在分型面凸耳處沖頭與凹模之間留有2mm 間隙，有利于材料在沖頭拐角處充分流動(dòng)充足，除凸耳以往的分型面處模具間隙控制在0.5 mm 以內(nèi)有利于零件內(nèi)腔與外圓跳動(dòng)控制，卸料位置剛好在最大外圓凸耳毛刺部位。

圖10 溫鍛工步圖

基于前文建立的材料流動(dòng)應(yīng)力模型，結(jié)合剛粘塑性有限元方法，構(gòu)建了該零件溫鍛過(guò)程的有限元分析模型。溫鍛過(guò)程的關(guān)鍵模擬參數(shù)如表3 所示。

表3 溫鍛關(guān)鍵模擬參數(shù)

圖11 展示了該鍛件四道序溫鍛過(guò)程的有限元模擬方案。根據(jù)模擬結(jié)果，調(diào)整了各工位的坯料形狀，使成形過(guò)程中材料流動(dòng)合理，載荷分布均勻，充填飽滿，無(wú)折疊風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)根據(jù)第四工位的材料流動(dòng)情況，在最后充填區(qū)域?qū)?yīng)的模具位置處設(shè)置了相應(yīng)排氣孔。

圖11 溫鍛有限元模擬方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證與工藝優(yōu)化

根據(jù)前文所述的精鍛方案，進(jìn)行了該產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在變形量較大的耳部一側(cè)，鍛件出現(xiàn)了明顯的開(kāi)裂，如圖12 所示。

圖12 凸耳一側(cè)開(kāi)裂照片

通過(guò)分析有限元模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在冷精整過(guò)程中，該區(qū)域內(nèi)腔的金屬材料出現(xiàn)了明顯受拉的情況。進(jìn)一步的，以該區(qū)域金屬材料為研究對(duì)象，分析了其在冷精整過(guò)程中的損傷累積情況，如圖13 所示，該區(qū)域材料的損傷值最高達(dá)到0.5 以上，已超過(guò)該材料的斷裂閾值0.45。判斷該區(qū)域金屬成形過(guò)程中受到過(guò)大的拉應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。通過(guò)有限元模擬分析可知，初始方案冷精整凹模的起整點(diǎn)過(guò)低，導(dǎo)致內(nèi)腔上部受到?jīng)_頭朝外的力，下部受到凹模朝內(nèi)的力，中部區(qū)域金屬受剪切應(yīng)力，導(dǎo)致?lián)p傷迅速增加。改進(jìn)方案提高了冷精整凹模的起整點(diǎn)，如圖14 所述，改進(jìn)后方案目標(biāo)區(qū)域的損傷值降低到0.3 以下，消除了開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖13 優(yōu)化前材料損傷值

圖14 優(yōu)化后材料損傷值

使用優(yōu)化后的方案進(jìn)行了鍛件的試生產(chǎn)，如圖15 所示，得到的鍛件球道充填飽滿，未出現(xiàn)裂紋。以該方案進(jìn)行200 件小批量試制，如圖16 所示，順利完成了自動(dòng)化連線生產(chǎn)，得到的鍛件均滿足產(chǎn)品工藝要求。新工藝省去了后續(xù)的球道粗銑道序，同時(shí)材料重量由2360g 降低至2150g，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。將該批鍛件進(jìn)行后續(xù)機(jī)加工并裝配至總成，已完成并通過(guò)了實(shí)際使用前所需的功能與臺(tái)架試驗(yàn)。

圖15 冷精整后鍛件照片

圖16 小批量200 件試制照片

結(jié)論

⑴采用彈性可開(kāi)合冷精整模具可以實(shí)現(xiàn)VL/MB型萬(wàn)向節(jié)外星輪的精鍛生產(chǎn)，具有外側(cè)凸耳的溫鍛毛坯設(shè)計(jì)解決了鍛件沿周向變形量分布不均的問(wèn)題，有助于降低設(shè)備載荷，提高工藝的穩(wěn)定性和可靠性。該工藝模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需新增設(shè)備，可使用常規(guī)外星輪生產(chǎn)線，便于快速批產(chǎn)切換。

⑵通過(guò)調(diào)整冷精整凹模的起整點(diǎn)，可以解決VL外星輪冷精整過(guò)程中存在的剪切應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，從而消除了裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。利用優(yōu)化后的工藝成功實(shí)現(xiàn)了鍛件的小批量連續(xù)生產(chǎn)，為產(chǎn)品后續(xù)大批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。