王超

(江蘇大洋精鍛有限公司, 江蘇鹽城 224100)

0 引言

VL形滾道球籠等速萬(wàn)向節(jié)由星形套、球籠、保持架以及鋼球組成。其中，星形套和球籠的滾道中心線與軸線不平衡，是以相同角度相對(duì)于軸線向兩側(cè)偏移，且相鄰兩條滾道偏移方向相反，即成“V”形。VL形滾道球籠等速萬(wàn)向節(jié)的傳遞動(dòng)力原理與直溝道球籠的等速萬(wàn)向節(jié)相同，但VL形球籠等速萬(wàn)向節(jié)在傳動(dòng)過(guò)程中摩擦損失更小， 傳動(dòng)效率更高，且工件工作壽命更長(zhǎng)[1-2]。

VL星形套由于相鄰溝道成“V”形，非上下直溝道形狀，則鍛造工藝無(wú)法采用普通上下沖程式模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行退料，文中主要是針對(duì)VL星形套的鍛造工藝開發(fā)和模具設(shè)計(jì)，以完成產(chǎn)品批產(chǎn)。

1 工藝設(shè)計(jì)

星形套的鍛造工藝：制坯—球化退火—拋丸—表面潤(rùn)滑處理—鍛造成形—鉆孔—機(jī)加工。VL星形套的鍛造工藝與普通星形套區(qū)別就在于鍛造成形的模具結(jié)構(gòu)和毛坯的退料形式。如圖1所示為VL星形套的成品三維示意圖，其“V”形的斜溝道需鍛造成形，外圓、端面以及內(nèi)孔徑可通過(guò)機(jī)加工完成。文中的VL星形套使用的原材料為20CrMnTi。

圖1 VL星形套成品示意

2 模具設(shè)計(jì)

如圖2所示為根據(jù)VL星形套的成品毛坯設(shè)計(jì)的鍛造毛坯三維示意圖。

圖2 VL星形套毛坯示意

根據(jù)毛坯圖的形狀，毛坯的“V”形斜滾道成形若使用一體式模具結(jié)構(gòu)，在模腔中進(jìn)行上下直接退料會(huì)與模具產(chǎn)生干涉。所以對(duì)于VL星形套的成形主要考慮毛坯的退料形式。成形時(shí)，6個(gè)斜滾道的模具參與變形；退料時(shí)，斜滾道的成形模具可以退回，不干涉毛坯的退料。則可將VL星形套的6個(gè)斜滾道設(shè)計(jì)成分體式模具結(jié)構(gòu)，仍使用上下沖程式的模架，上模向下運(yùn)動(dòng)使6個(gè)斜滾道模具先行閉合，通過(guò)上、下沖頭使毛坯在模腔內(nèi)成形。上?；爻?，則對(duì)6個(gè)分體式的斜滾道模具使用彈簧將其回位，給予毛坯退料留足空間，然后通過(guò)下沖頭進(jìn)行退料。

根據(jù)毛坯的斜滾道和外圓的尺寸設(shè)計(jì)6個(gè)斜滾道模具：3個(gè)同方向，3個(gè)反方向。要使6個(gè)分體式模具無(wú)干涉無(wú)間隙的閉合，在斜滾道頭部要存在一定的角度。 VL星形套斜滾道分體式模具示意圖如圖3所示，斜滾道的方向?qū)ΨQ。

圖3 VL星形套斜滾道模具示意

斜滾道模具閉合過(guò)程中，要考慮單個(gè)斜滾道模具能夠沿著固定的方向移動(dòng)。需要在每個(gè)斜滾道模具中間設(shè)置限位塊，確保斜滾道模具在閉合過(guò)程中不發(fā)生偏移。根據(jù)VL星形套的滾道形狀，將6個(gè)斜滾道模具、限位塊進(jìn)行裝模，模具示意圖如圖4所示。

圖4 斜滾道模具和限位塊裝配示意

上模向下等速移動(dòng)時(shí)，上模需要有豎直方向的斜壓力塊推6個(gè)斜滾道模具，使其向內(nèi)收縮閉合。在圖3和圖4中可以看出，在6個(gè)斜滾道模具在其末端設(shè)計(jì)成45°，上模內(nèi)的斜壓力塊以相同的角度與其接觸，上模在向下移動(dòng)時(shí)，6個(gè)斜滾道模具在限位塊的作用下以等速向內(nèi)閉合，閉合后在通過(guò)上?；驂毫C(jī)的向下移動(dòng)，上、下沖頭使毛坯在6個(gè)斜滾道模具內(nèi)腔中成形。上模的設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5 上模示意

將6個(gè)斜滾道模具、限位塊、下沖頭設(shè)計(jì)成下模，與上模進(jìn)行配合，其裝配示意圖如圖6所示。

圖6 上下模裝配示意

3 有限元模擬及結(jié)果分析

根據(jù)毛坯的尺寸和設(shè)計(jì)的上下模結(jié)構(gòu)，選擇合適的棒料直徑和長(zhǎng)度，使用Deform軟件進(jìn)行有限元模擬。由于使用的Deform V12版本材料庫(kù)中沒(méi)有20CrMnTi材質(zhì)，則選用相近的DIN20MnCr5(20～800 ℃)，溫度設(shè)置為20 ℃。

VL星形套的成形原理：6個(gè)斜滾道模具閉合，然后上、下沖頭分別向下、向上運(yùn)動(dòng)，將棒料成形在模腔內(nèi)。則在有限元模擬中，要設(shè)置兩個(gè)運(yùn)動(dòng)模具。上、下沖頭作為運(yùn)動(dòng)模具，相同的速度，向相反的方向運(yùn)動(dòng)，6個(gè)斜滾道模具閉合后最為一個(gè)整體為靜止?fàn)顟B(tài)。VL星形套一次成形的有限元模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 有限元模擬結(jié)果

從圖7有限元模擬的結(jié)果可以看出，毛坯的斜滾道及斜滾道的外圓圓角飽滿均勻。毛坯在成形所受的應(yīng)力應(yīng)變?cè)谛睗L道和斜滾道外圓均比較均勻。從圖7中荷重與行程曲線可以看出，整個(gè)毛坯成形過(guò)程荷重不斷增大。在斜滾道及斜滾道外圓開始成形飽滿時(shí)，荷重增長(zhǎng)速率較大，最大荷重約為3 250 kN。

4 生產(chǎn)試驗(yàn)

按照以上設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)及形狀，設(shè)計(jì)的成形裝配圖如圖8所示。

圖8 成形裝配

根據(jù)VL星形套的尺寸，設(shè)計(jì)模具尺寸。6個(gè)斜滾道模具使用瑞士米克朗五軸高速銑加工，在進(jìn)行研磨拋光，確保模具斜滾道的表面粗糙度達(dá)到Ra0.05 μm以內(nèi)，再進(jìn)行表面涂層處理，確保表面潤(rùn)滑和強(qiáng)度。其他模具按照正常的加工方式，經(jīng)表面處理確保各模具之間緊密配合。

由于是棒料直接成形，變形量較大。在成形前對(duì)棒料進(jìn)行球化退火。采用(750±5) ℃保溫4 h和(680±5) ℃保溫5 h的球化退火工藝[3]，其棒料的球化率達(dá)到了90%以上，確保斜滾道成形的飽滿均勻。

根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，VL星形套一次成形的最大荷重約為3 250 kN，選用日本小松8 000 kN壓力機(jī)。由于VL成形，上下模閉合，在閉合過(guò)程上模的斜壓力塊將6個(gè)斜滾道模具閉合。上模繼續(xù)下壓，上模的活塞氣缸和下模的氮?dú)鈴椈蓪⑸舷履３鲇诰又械奈恢?，再通過(guò)壓機(jī)的下行，上下沖頭將棒料在斜滾道模腔內(nèi)成形。在成形前，上模的活塞氣缸和下模的氮?dú)鈴椈煽漳r(shí)壓力約為2 900 kN，合計(jì)為6 150 kN，完全在小松8 000 kN壓力機(jī)的范圍內(nèi)。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)和模架及模具的裝配，按照?qǐng)D8裝配圖進(jìn)行裝配，進(jìn)行多次試生產(chǎn)和優(yōu)化，最終生產(chǎn)出圖9所示的VL星形套毛坯，斜滾道以斜滾道外圓的飽滿度與以上有限元模擬結(jié)果一致。所有尺寸經(jīng)三坐標(biāo)檢測(cè)全部合格。最后，根據(jù)成品尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)加工，獲得如圖10所示的成品。

圖9 VL星形套毛坯

圖10 VL星形套成品

5 結(jié)論

VL星形套根據(jù)滾道的形狀和位置，采用一次成形工藝。成形模具設(shè)計(jì)成分體式，在6個(gè)斜滾道模具先閉合，然后通過(guò)上下沖頭的擠壓是棒料成形。

使用DIN20MnCr5代替20CrMnTi進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果顯示VL星形套毛坯的斜滾道及斜滾道的外圓圓角飽滿均勻，成形過(guò)程荷重不斷增大，最大荷重約為3 250 kN。模具空模時(shí)壓力約為2 900 kN，可以選用日本小松8 000 kN壓力機(jī)。

通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)，分體式的斜滾道模具能夠滿足毛坯的一次成形。生產(chǎn)的毛坯符合有限元模擬的結(jié)果，順利完成批產(chǎn)。