文/姬程程·重慶理工大學(xué)材料學(xué)院

十字軸成形工藝分析

文/姬程程·重慶理工大學(xué)材料學(xué)院

十字軸是十字軸式萬向節(jié)軸上的重要零件，也是典型的枝叉類零件。其形狀特點是零件中心部為球臺，外圍均布四個軸頸，除潤滑油加注孔外為完全軸對稱，如圖1所示。目前生產(chǎn)十字軸的方式大多采用熱模鍛。由于中心臺相對整個零件體積較大，所以適合水平分模，這樣可以利用中心孔作為放置直徑較大的坯料，避免了擠壓細(xì)長坯料受長徑比的限制。由于鍛壓技術(shù)的進(jìn)步，為了降低加工成本，提高加工效率，可以采用精密模鍛的方法一次成形。在進(jìn)行精密模鍛時應(yīng)注意以下一些問題：

⑴考慮到后續(xù)加工和精密模鍛的特點，合理地預(yù)留加工余量。

⑵潤滑油加注孔為非軸對稱形狀，鍛壓時要解決偏載問題。

⑶金屬的變形量較大，選擇合理的坯料和合適的模具圓角，增大流動性。

⑷精密模鍛結(jié)束時，壓力急劇升高，應(yīng)在合適的部位預(yù)留分流腔。

⑸由于零件接近上下對稱結(jié)構(gòu)，所以要考慮脫模、推件問題。

圖1十字軸

工藝方案的比較

根據(jù)鍛件的工藝性分析，該制件采用精密模鍛有以下幾種生產(chǎn)方案：

⑴開式模鍛，采用飛邊槽形式，在加熱后進(jìn)行。

⑵閉式模鍛，采用分流降壓腔的形式，在加熱后進(jìn)行。

⑶擠壓，包括冷擠壓、溫擠壓和固相線下擠壓。

⑷徑向擠壓，包括冷擠壓、溫擠壓和固相線下擠壓。

開式模鍛

由于十字軸呈水平方向4枝狀，鍛造難度大。國內(nèi)通行的鍛造工藝是開式模鍛、胎模鍛工藝。傳統(tǒng)開式模鍛的工藝過程是：下料→加熱→劈叉（預(yù)成形）→加熱→成形→切邊→正火→清理。這種工藝存在鍛件飛邊損耗大、材料利用率低等問題，飛邊金屬損耗量要占成品重量50％左右，且金屬加工切削余量較大,后續(xù)金屬加工時有較大的車削工作量。

冷擠壓

十字軸冷擠壓工藝中，凹模型腔的形狀及尺寸與十字軸冷鍛件的形狀及尺寸相同，分模面選在模腔的中心位置，通過分模面將凹模型腔分割為上、下兩部分。工作時，上、下凹模先行閉合，并施加足夠的閉模力，通過上、下沖頭對坯料進(jìn)行等速同步擠壓使金屬產(chǎn)生徑向流動，在充滿型腔中心部分后流向四軸方向，形成十字軸冷鍛件。

十字軸冷擠壓工藝與熱模鍛工藝相比，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

⑴整個工藝流程顯著縮短。

⑵材料利用率從約60％提高到超過88％。

⑶由于十字軸冷鍛件形狀規(guī)矩，尺寸精確，四軸外圓不需加工，因而后續(xù)加工量減少，提高了生產(chǎn)率，降低了機加成本。

⑷十字軸冷鍛件內(nèi)部形成了完整的金屬流線，具有優(yōu)良的組織性能，從而提高了十字軸的內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能。

徑向擠壓

徑向擠壓的工藝過程是：下料→加熱→成形→去毛刺。

顯然，徑向擠壓工藝過程較短，其工作原理和特點是將加熱好的坯料垂直放人一個“封閉”的成形模腔后，通過對毛坯進(jìn)垂直擠壓行，金屬沿水平四軸方向進(jìn)行流動從而形成十字狀鍛件。由于鍛件擠壓成形后必須從模腔中退出，因此成形模腔須由上、下兩半凹模組成，上下凹模的壓緊并產(chǎn)生足夠的壓模力以及垂直擠壓行程完畢后的脫開是實現(xiàn)徑向擠壓的關(guān)鍵。

工藝方案的確定

通過對不同的成形工藝進(jìn)行分析，結(jié)合目前的技術(shù)條件，可以選擇復(fù)動成形（閉塞鍛造）并采用分流降壓腔的形式生產(chǎn)十字軸。這種工藝突破了有飛邊模鍛（開式模鍛）和熱擠壓兩種單一工藝的局限性，綜合體現(xiàn)了兩種工藝的優(yōu)點。采用這種方法生產(chǎn)十字軸時，可以提高材料利用率和生產(chǎn)效率，并且變形時金屬處于較為強烈的三向應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高金屬材料的塑性。由于不形成飛邊，不但減少了切邊工序，而且因為不形成飛邊，金屬纖維不被切斷，不存在金屬纖維外露的問題，因而可以提高零件的抗腐蝕性和耐疲勞性。由于分流降壓腔的應(yīng)用，當(dāng)金屬完全充滿模膛時，多余的坯料從分流孔流出，降低了工作壓力，減少了模膛表面的磨損，提高了模具壽命。對坯料的體積波動起到調(diào)節(jié)和補償作用，降低了精密鍛造時對坯料體積的苛刻要求。結(jié)合產(chǎn)品的形狀進(jìn)行分析，由于單沖頭擠壓將使金屬的流動距離增大1倍，對模具壽命不利，而且金屬進(jìn)入側(cè)腔軸頸后不對稱流動，容易出現(xiàn)死角。

模具結(jié)構(gòu)形式的確定

專用的復(fù)動成形模架有液壓模架和氣動模架，液壓模架的合模力來自液壓缸，整個系統(tǒng)比較復(fù)雜，造價昂貴，可靠性差；為克服液壓模架的不足，可以采用氮氣彈簧提供合模力，缺點是氮氣彈簧提供的合模力有限，限制了氮氣彈簧在大鍛件成形中的應(yīng)用。

為了克服液壓和氣動合模的不足，結(jié)合目前在實際生產(chǎn)中已證明技術(shù)比較成熟的剛性鎖模結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在提供一種新的復(fù)動成形模架結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)克服了氣動模架和液壓模架的不足，結(jié)合了剛性鎖模和復(fù)動成形的特點。因為此結(jié)構(gòu)并無實際應(yīng)用的實例，可靠性及實用性并沒有得到證實，所以這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用還應(yīng)慎重。

圖2復(fù)動成形模架結(jié)構(gòu)

金屬變形過程分析

⑴鐓粗變形：坯料在雙沖頭對向擠壓下鐓粗，且充填模膛中部球體部位，直到接觸到四個水平軸頸為止。這個階段屬于鐓粗變形階段，擠壓力不大。

⑵徑向擠壓：隨著沖頭繼續(xù)擠壓，坯料金屬大量進(jìn)入軸頸腔內(nèi)，直至金屬前端碰到端部模壁為止。此階段軸頸尚未完全充滿，但擠壓力顯著增大。

⑶水平鐓擠：當(dāng)金屬碰到端部模壁后，沖頭繼續(xù)將球體部金屬擠入軸頸，這樣就形成了類似在水平方向的鐓粗過程，直至軸頸腔基本充滿。此時擠壓凸模的行程已經(jīng)接近終點，鍛件除軸頸端未充滿外，其余部位均已充滿。

⑷充滿余料倉。此時擠壓凸模行程結(jié)束，金屬充滿軸頸棱角并排除多余金屬進(jìn)入余料倉，從而獲得完全充滿的鍛件。

模具型腔設(shè)計原則

復(fù)動成形十字軸除滿足鍛件圖的要求外，還應(yīng)該注意以下幾點：

⑴擠壓沖頭直徑盡量選大。由于復(fù)動成形（閉塞鍛造）以擠壓成形為主，當(dāng)坯料質(zhì)量一定時，大直徑毛坯細(xì)長桿毛坯更容易成形。在鍛件形狀允許的范圍內(nèi)，擠壓凸模盡量取大值，可以提高凸模的強度。沖頭應(yīng)避開模膛內(nèi)十字軸臺相切處，因為此處容易磨損出現(xiàn)圓角。

⑵金屬坯料直徑盡量選大。由于復(fù)動成形（閉塞鍛造）坯料質(zhì)量控制較嚴(yán)，余料很少。坯料放入凹?？缀笕缬休^大的間隙，則坯料可能偏歪，造成鍛件局部缺料而充不滿。坯料在放入?？醉樌那闆r下，間隙盡量小，最大單邊間隙不宜超過0.5mm。

合理地設(shè)計余料倉

為了保證精密模鍛時坯料充滿模膛，下料時必須控制坯料質(zhì)量下限，讓多余的坯料成為合理余料。余料倉的位置必須設(shè)在模腔最后充滿處，而且是后續(xù)加工時可以去除或不去除也不影響使用的位置。如余料倉先被充滿，鍛件最后充滿處將有缺陷。十字軸擠壓成形最后充滿處是軸頸端部，余料倉應(yīng)設(shè)在此處，在后續(xù)加工時去除。

頂料機構(gòu)

由于有些鍛造設(shè)備沒有上頂料裝置，只有下頂料機構(gòu)，所以在進(jìn)行成形加工時需注意此問題并合理的解決。如果加工設(shè)備上有上頂料機構(gòu)，則進(jìn)行模具設(shè)計時可以利用此機構(gòu)，使模具結(jié)構(gòu)更簡單。

結(jié)束語

通過對十字軸成形工藝與模具結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)，得出如下結(jié)論：

⑴采用凹模夾持塊結(jié)構(gòu)，節(jié)約了模具材料。通過凸模和凹模多次電火花成形加工和修復(fù)使用，使模具的使用壽命成倍增加，模具的運行成本降低。

⑵雙導(dǎo)向模具結(jié)構(gòu)、凸模、凹模采用快換結(jié)構(gòu)，保證了模具工作過程的可靠性、穩(wěn)定性和一致性。

⑶通過本課題的應(yīng)用研究，產(chǎn)品的表面質(zhì)量提高，材料的消耗降低，產(chǎn)品的成本降低，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。