文/郭艷，陳喜樂，安偉浩·許昌中興鍛造有限公司

錢長友·鄭州大學

傳動軸圓盤突緣叉鍛造缺陷分析

文/郭艷，陳喜樂，安偉浩·許昌中興鍛造有限公司

錢長友·鄭州大學

傳動軸圓盤突緣叉是傳動軸的重要組成部分，一端通過萬向節(jié)與傳動軸的其他零件相連，另一端通過螺栓與變速器或者驅動橋相連，實物如圖1所示，其產品質量對于傳動軸的可靠性、壽命和工作穩(wěn)定性等有很大影響。在高品質的傳動軸中，需要使用鍛造毛坯加工突緣叉。

圖1 圓盤突緣叉零件

問題簡述

目前，傳動軸圓盤突緣叉的鍛造過程分為制坯、預鍛和終鍛三個步驟，如圖2所示。突緣叉鍛件的鍛造難度較大，圖3所示的突緣叉鍛件是我們公司突緣叉產品中的一種。通過計算可知，其鍛件復雜系數S=0.22，屬于S3級。從鍛件形狀可知，從耳部到盤部的截面積和截面形狀都變化較大，進一步增加了鍛造的難度。為了方便汽車廠家進行裝配，還需要在鍛件上鍛造出螺栓窩，螺栓窩會在鍛件上形成難于成形的薄壁區(qū)域。在實際生產中，該部位容易出現折疊、充不滿等缺陷，如圖4和圖5所示。根據我們公司的生產實踐，并結合三維造型技術和有限元數值模擬技術，在本文中對該類鍛件缺陷產生的原因進行了分析，并提出了相應的解決方案，取得了顯著效果。

圖2 突緣叉鍛件鍛造步驟示意圖

圖3 突緣叉鍛件三維模型

圖4 鍛件折疊示意圖

圖5 鍛件充不滿示意圖

鍛造缺陷和解決方法

工藝設計引起的缺陷

圓盤部位在突緣叉的鍛造成形過程中，金屬的流動情況比較復雜，設計人員不能完全把握的時候會出現工藝設計不合適的情況，從而導致鍛件出現缺陷。

終鍛件是基于冷鍛件圖按照鍛件收縮率放大之后得到的，尺寸不合適時會造成鍛件的尺寸超差。由于圓盤突緣叉的形狀復雜，各部分的收縮率并不相同，需要進行局部修正。例如盤部，其收縮率偏大，需要加大終鍛件的尺寸。另一種情況是局部模具型腔因為金屬流動量大而磨損較快，導致局部鍛件尺寸超差。例如叉部內側，預鍛件在劈料之后會存有較多材料需要在終鍛時排出去，其鍛件尺寸會越來越小。這就需要設計終鍛件時添加修正量，使減小后的鍛件尺寸也在公差范圍內，最終使模具各部位的壽命趨于一致。

制坯件設計的主要要素有三個：盤部尺寸、制坯窩尺寸和過渡圓角。一般情況下，它們分別對應不同的鍛造缺陷。制坯件的盤部尺寸過小時，會有兩種情況：①坯料體積大于制坯型腔，制坯件會在盤部出現毛邊，而毛邊在預鍛時會被壓進鍛件本體，從而形成折疊；②制坯件不出現毛邊，但是制坯時盤部分得的材料少，終鍛時會產生盤部缺料或者盤部金屬回流而形成折疊。制坯窩的窩深偏小時，終鍛件會在耳部產生充不滿，或者形成俗稱“包頭”的折疊缺陷。過渡的圓角需要大一些，避免預鍛件在盤部與耳圓交接處形成折疊?，F在進行設計時，首先對終鍛件進行三維造型，然后對終鍛件的模型進行分割，分別得到終鍛件叉部和盤部的重量，再根據經驗計算獲得相應部位的制坯重量，可以得到較為理想的效果。

與制坯件相對應，預鍛件在設計時也要注意三個方面：盤部大小、叉子的劈料方式和交接處的過渡。為了減少終鍛時金屬的水平方向流動，一般要求預鍛件在模具投影方向上的形狀和終鍛件相接近，但尺寸上要稍微小一些，來保證預鍛件可以穩(wěn)定地放入終鍛型腔。根據經驗，預鍛件要比終鍛件過渡圓滑，來避免終鍛時多余金屬無法排出型腔而造成鍛件折疊。同時，在厚度方向上預鍛件要比終鍛件厚一些，以解決預鍛件在模具投影方向上因尺寸偏小而引起的缺料問題，保證終鍛件能夠完全充滿。在現在的設計工作中，一般先進行初步設計，然后使用三維造型技術和有限元模擬技術進行驗證模擬，接著根據模擬結果和之前總結的經驗對設計進行修正，最終得到合理的結果。這樣大大降低了實際鍛造時產生鍛造缺陷的概率。

模具加工引起的缺陷

模具加工主要影響模具型腔和鎖扣、燕尾、鍵槽等定位裝置的精度。一般情況下，鍛件的尺寸超差現象多是由模具型腔加工不準確造成的，而鎖扣、燕尾和鍵槽的加工偏差主要造成鍛件的錯移。鍛件的尺寸超差和錯移最終會影響到傳動軸的動平衡，加大平衡傳動軸總成的難度和工作量。傳動軸的不平衡會造成車輛運行的振動和噪聲等。隨著現代汽車業(yè)的發(fā)展，傳動軸的轉速越來越高，同時顧客更加強調乘車的舒適度，這都需要進一步提高傳動軸的平衡度。這就要求我們提高鍛件的形狀尺寸精度，減小錯移量，盡量使鍛件的質量中心與幾何中心重合。因此我們公司使用高精度的數控加工中心來加工模具，并采用型腔和鎖扣一次加工成形的方法來保證它們之間的位置精度。

模具管理也是很重要的一部分。與錘鍛模具不同，高能螺旋壓力機和熱模鍛壓力機的模具是單型腔的模塊，一套模具需要有6個模塊。我公司的產品種類較多，所以模具數量較大，會出現模具混用的情況。尤其是同系列產品，形狀、尺寸比較接近，更容易出現這種問題。所以要對模具進行標識和登記，采取嚴格的管理措施，避免人為錯誤導致的鍛造缺陷。

人員操作引起的缺陷

鍛造過程中，坯料放置不合適也會引起一部分鍛造缺陷，最主要的是折疊，如盤部刮料形成的折疊，盤與叉子交接部位折疊等。除去操作工熟練程度的影響，突緣叉本身的形狀在很大程度上影響了放置的準確性。從圖2可知，制坯件和預鍛件的形狀差別是相當大的，這使得自由狀態(tài)下的制坯件不能水平的放置在預鍛型腔內。圖6為軟件模擬的自由狀態(tài)下制坯件在預鍛型腔的放置情況。制坯件放置不合適會導致預鍛件的形狀不理想，如圖7所示。預鍛件和終鍛件在叉子部位的差別較大，所以也會出現同樣的問題。在普通模鍛錘上進行鍛打時，可以由操作工用夾鉗保持制坯件或者預鍛件在模具型腔內的水平狀態(tài)，然后進行鍛打。這樣鍛件的品質很大程度上要依賴于操作工的水平，不能完全解決問題。尤其在公司引進熱模鍛壓力機后，受壓力機本身功能的限制，這種方法完全不適用。

圖6 鍛件自由放置示意圖

圖7 制坯件放置對預鍛影響示意圖

經過長時間的試驗和總結，我們在制坯型腔和預鍛型腔中設計了定位臺，如圖8所示。通過三維造型和有限元數值模擬技術可以準確的知道制坯件在預鍛型腔和預鍛件在終鍛型腔的位置，從而得到合適的定位臺尺寸，如圖9所示。經過實際生產驗證，定位臺可以替代人工的定位操作，而且其可重復性更好，降低了對員工操作的依賴程度，同時也降低了操作工自身的勞動強度，提高了生產效率。

圖8 定位臺示意圖

圖9 定位臺效果示意圖

結束語

綜上所述，像圓盤突緣叉這類鍛造難度大的鍛件，通過實踐經驗總結和創(chuàng)新，并結合新裝備、新技術，不斷改進鍛造工藝，可以生產出更精密的鍛件。這就需要我們不斷學習積累，提高業(yè)務能力，并通過“顛覆性”的創(chuàng)新設計，來滿足客戶“挑剔”的質量需求，從而提升企業(yè)在市場中的競爭實力。