中間軸冷擠壓花鍵成形力分析及參數優化

摘 要：介紹了中間軸冷擠壓花鍵成形工藝，對影響冷擠壓花鍵成形力的主要因素進行了分析，通過對零件表面質量、花鍵刀導入角、花鍵刀成形齒長度的優化改進，冷擠壓花鍵成形力降低23%，花鍵刀壽命提升至8萬件。文章中提出的冷擠壓花鍵力參數優化方案，能夠解決實際生產中冷擠壓花鍵成形力大導致的一系列問題，有效地提高了產品質量、增加了花鍵刀使用壽命，進而降低零件報廢成本及花鍵刀成本，起到降本增效作用。

關鍵詞：冷擠壓花鍵工藝 花鍵成形力 參數優化

1 緒論

轉向中間軸用于連接轉向管柱和轉向機，起到承載轉向系統內部傳遞扭矩的作用，是保證汽車能夠在高速行駛中，平穩轉向的重要安全部件[1]。中間軸冷擠壓花鍵是指中間軸軸端采用冷擠壓工藝加工花鍵，與萬向節叉花鍵進行過盈裝配，以達到產品使用過程中抗拉、扭轉要求[2]。在實際生產中，冷擠壓花鍵存在花鍵成形力大，零件花鍵齒斷裂、毛刺，花鍵刀異常磨損，壽命短等問題[3]，嚴重影響產品質量，也不利于生產成本控制。本文通過分析冷擠壓花鍵成形力影響因素，優化相關參數[4-5]，達到降低花鍵成形力，提高產品質量及花鍵刀壽命的目的。

2 冷擠壓花鍵成形工藝

中間軸冷擠壓花鍵成形工藝是指在室溫環境下，伺服電缸通過夾緊機構夾持中間軸類零件，零件以50mm/s的速度快速通過花鍵成形模具刀（下文簡化為花鍵刀），零件表面材料被花鍵刀擠壓出符合圖紙要求的尺寸，同時花鍵成形力在過程控制范圍內的花鍵成形工藝。

在實際生產中，中間軸冷擠壓花鍵成形工藝存在花鍵成形力大的問題，如圖4所示。

花鍵成形力大問題不僅對產品質量造成不良影響，也會造成花鍵刀異常磨損甚至碎裂情況發生。如圖5所示，零件花鍵出現撕裂、毛刺等不良，造成零件報廢。如圖6所示，花鍵刀異常磨損、碎裂。

3 冷擠壓花鍵成形力影響因素及優化

冷擠壓花鍵成形是復雜的塑性變形過程，花鍵成形力和軸向金屬流動情況密切相關。金屬流動具有多方面的不確定因素，包括零件與花鍵刀的摩擦系數、零件材料及外徑尺寸、花鍵刀導入角、花鍵刀成形齒長度、成形速度、零件與花鍵刀同軸度等。

結合實際生產中積累的經驗，本文主要對摩擦系數、花鍵刀導入角、花鍵刀成形齒長度進行分析。分析過程借助ABAQUS仿真軟件，并對花鍵成形過程進行簡化，將50齒花鍵成形模擬簡化為3齒花鍵成形模擬，如圖7所示。

3.1 摩擦系數

結合實際生產，影響中間軸冷擠壓花鍵成形過程的摩擦系數主要和零件表面的磷皂化層有關。分別選取生產三種不同狀態的零件：零件無磷皂化層、零件有磷皂化層且表面清洗、零件有磷皂化層且表面無清洗，通過摩擦磨損實驗，獲取三種零件的摩擦系數：0.11736、0.0997、0.08，進行花鍵成形模擬。

圖8為不同摩擦系數條件下，最大成形力及平均成形力的變化趨勢。摩擦系數越大，花鍵成形力越大。過大的花鍵成形力也會導致零件在花鍵刀內的金屬流動性變差，造成花鍵齒形撕裂、堆料，零件報廢。在實際生產中，一般會對花鍵刀進行噴油潤滑，或是增加零件表面磷皂化層，降低摩擦系數，進而降低花鍵成形力。

3.2 花鍵刀導入角

花鍵刀導入角是花鍵刀的重要參數，其大小影響金屬流動性、變形程度、成形力大小及花鍵刀磨損程度。實際生產中的花鍵刀導入角如圖9所示。

結合實際生產花鍵刀導入角，分別選擇10°、15°、20°進行花鍵成形力模擬仿真。圖10為不同花鍵刀導入角條件下，花鍵最大成形力和平均成形力的變化趨勢。從圖中可以看出，花鍵刀導入角15°條件下得到的花鍵成形力最小。花鍵導入角小會降低零件進入花鍵刀時的成形力，但也會增加零件與花鍵刀的接觸面積，使得二者間的摩擦力增大，進而導致花鍵成形力增大。當花鍵導入角過大時，會增加零件材料的剪切抗力，零件材料的金屬流動性也會變差，造成金屬堆積增大摩擦力，進而導致花鍵成形力增大。

3.3 花鍵刀成形齒長度

花鍵刀成形齒長度是決定花鍵成形力和花鍵成形尺寸的關鍵因素。花鍵成形齒與零件材料充分接觸，起到切割零件材料，并擠壓成花鍵的作用。實際生產中的花鍵刀成形齒長度如圖11所示。

結合實際花鍵刀成形齒長度，設置3mm、4mm、5mm作為仿真模擬主要參數進行花鍵成形仿真。圖12為不同花鍵刀成形齒長度條件下，花鍵最大成形力和平均成形力的變化趨勢。從圖中可以看出，花鍵成形齒長度由3mm增加到5mm時，花鍵成形力大幅增長。花鍵刀成形齒長度越大，與零件材料接觸距離越長，摩擦面積增大，使得材料金屬流動性變差，造成花鍵成形力增大；花鍵刀成形齒長度過小，可減小與零件材料的接觸距離，減小摩擦力使得花鍵成形力降低，但也造成材料金屬流動性不均勻，花鍵成形不飽滿，尺寸不合格。

3.4 冷擠花鍵成形力優化驗證

在實際生產中，根據不同因素對花鍵成形力的影響趨勢，對零件增加磷皂化層，保持花鍵刀導入角度15°不變，將花鍵刀成形齒長度改為3mm，制作花鍵刀，用于花鍵成形力優化驗證。如圖13所示，樣件試驗優化花鍵刀冷擠壓花鍵的花鍵成形力明顯小于常規花鍵刀，其減小比例可達到23%。持續使用優化花鍵刀直至冷擠壓花鍵尺寸不滿足圖紙要求，統計優化花鍵刀生產數量達80203件，較常規花鍵刀平均壽命提高49%。

4 結語

本文對中間軸冷擠壓花鍵成形力影響因素進行分析，并通過有限元仿真軟件模擬花鍵成形過程，得出不同條件對花鍵成形力的影響趨勢，對相關參數進行優化改進，并運用到實際生產中，達到降低中間軸冷擠壓花鍵成形力，提高花鍵刀壽命的目的。

參考文獻：

[1]李江，朱燕兮.汽車轉向系統中間軸結構介紹及性能要求[J].拖拉機與農用運輸車，2022，49（05）：26-28.

[2]王風飛，何晨雨，王海玲.轉向中間軸開發設計[C]//.2019中國汽車工程學會年會論文集（3）.北京：中國汽車工程學會，2019：253-256.

[3]張凱，王勇，鄭彬峰，等.模具參數對軸向冷擠內花鍵擠壓成形力的影響[J].現代機械，2020（02）：1-4+21.

[4]王培安，郭歡歡.定徑帶長度對花鍵冷擠壓成形質量影響分析[J].西華大學學報（自然科學版），2021，40（02）：31-38.

[5]王培安，郭歡歡.基于正交試驗花鍵冷擠壓成形過程參數分析[J].西華大學學報（自然科學版），2019，38（06）：92-99.