汽车等速传动轴三销轴叉锻件精锻工艺浅析

汽车传动轴是车轮转动的直接驱动件,汽车运行时,发动机输出的扭矩,经过多级变速和主动器传递给传动轴,再由传动轴传递到车轮上,推动汽车前进或倒行,因此传动轴是汽车传递扭矩的一个重要零件。三销轴叉是汽车传动轴的主要受力部件,工作情况及其复杂,它的性能优劣直接影响汽车传动的安全性和可靠性,三销轴叉锻件也是汽车零部件中最难以成形的部件之一,而且三销轴叉球道内腔机加工困难,所以要求三销轴叉精锻件杯壁内腔尺寸精度高、表面质量好、可以不再机加工。

三销轴叉冷温锻生产特点、锻件设计及模具设计

典型温冷联合成形工艺流程(以汽车等速万向节三销轴叉精锻件为例):下料→抛丸→预涂石墨→感应加热→正挤柄部→镦粗预成形头部型腔→反挤成形温锻件毛坯→控温冷却→抛丸→皂化→冷精整(缩径冷挤压)。

三销轴叉冷温锻生产的特点

三销轴叉精锻件冷温锻生产的特点,包括下料,在机械压力机上温锻生产预成形温锻件毛坯,在压力机上冷精整成形获得具有符合三销轴叉产品图要求的精锻件的锻造成形方法,其球道内腔尺寸只补偿后工序热处理变形量,不再进行机加工。

温锻避免了热锻产生较多氧化、脱碳,又避免了冷锻时较大的金属变形抗力,冷精整可以得到高精度、高表面质量的精密锻件, 采用温锻制坯然后再冷精整最终成形的加工工艺,就是温锻-冷精整联合成形工艺。

采用锯切或精密剪切方式下料,坯料的重量公差控制在名义重量的±1%,坯料的长度和直径比保证在1.2~2.3之间。坯料在中频加热炉加热到850~940℃,在20MN温锻压力机上采用四个工位的模具型腔进行四工步温锻成形,钢的温锻温度范围如图1所示。

三销轴叉冷温锻生产精锻件设计

三销轴叉精锻件的(图2)主要尺寸设计见表1。

图1 钢的温锻温度范围

三销轴叉温锻件设计及模具结构设计

⑴三销轴叉温锻件(图3)主要尺寸设计见表2。

图2 三销轴叉精锻件

图3 三销轴叉温锻件

⑵温锻模具总体结构设计。

在20MN温锻压力机上采用四个工位模具型腔进行四工步温锻成形(图4)。

图4 四工步成形温锻模具结构图

1-第一工步冲头 2-第一工步凹模 3-第一工步温锻坯料 4-第二工步冲头 5-第二工步凹模 6-第二工步温锻坯料 7-第三工步温锻坯料 8-第三工步凹模 9-第三工步冲头10-第四工步温锻件 11-第四工步凹模 12-第四工步冲头

影响三销轴叉冷精整冷挤压力的温锻件关键尺寸设计

在实际生产中,如果三销轴叉温锻件毛坯设计不当,在冷精整头部型腔时,会由于冷挤压力过大导致型腔底部产生裂纹,如在生产大节型的精锻件时均出现过此类缺陷。

表1 三销轴叉精锻件主要尺寸

表2 三销轴叉温锻件主要尺寸

图5 冷精整精锻件裂纹

⑴温锻件毛坯在冷精整起始点位置的尺寸形状设计。

冷精整变形量起始点的碗底温锻件毛坯采用原来的设计方法。

从P.C.D 碗底基准平面BOTTOM 开始,向上有高度为5mm左右的6°拔模斜面(图6),一直延伸到锻件碗底厚度处平面。

为降低冷精整时三销轴叉冷挤压力,更改其设计方法为。

1)球面外侧处a:从P.C.D碗底基准平面BOTTOM开始,向上有高度为7.5mm左右的14°拔模斜面(图7),从P.C.D 碗底基准平面BOTTOM开始到锻件碗底厚度平面处没有斜度,为直线段;(加大拔模斜度后,此处尺寸小于冷精整凹模型腔尺寸)。

2)球道外侧处θ:从P.C.D碗底基准平面BOTTOM开始,向上有高度为7.5mm左右的9°拔模斜面(图2),从P.C.D碗底基准平面BOTTOM 开始到锻件碗底厚度平面处没有斜度,为直线段;(加大拔模斜度后,此处尺寸小于冷精整凹模型腔尺寸)。

3)头部大外圆γ:从P.C.D 碗底基准平面BOTTOM开始,向上有高度为7.5mm左右的11°拔模斜面(图2),从P.C.D碗底基准平面BOTTOM开始到锻件碗底厚度平面处没有斜度,为直线段;(加大拔模斜度后,此处尺寸小于冷精整凹模型腔尺寸)。

⑵锻造成形模拟 DEOFORM-3D软件模拟。

图6 原冷精整起始点尺寸形状温锻件设计方法

图7 改善后冷精整起始点尺寸形状温锻件设计方法

用锻造成形模拟 DEOFORM-3D软件模拟,原设计冷精整碗底部位冷挤压力载荷为553kN(图8),改善设计后最大冷挤压力载荷为478kN(图9),最大冷挤压力载荷降低了13.5%,对避免冷精整时锻件碗底出现裂纹及提高寿命都有直接影响,在某大节型锻件设计应用,改善设计后,到目前为止还没有发现冷精整生产时有裂纹件产生。

图8 原设计最大冷挤压力

图9 改善设计后最大冷挤压力

结束语

⑴本文主要阐述了三销轴叉冷温锻锻件的主要尺寸设计及模具结构设计。

⑵对冷精整挤压力的温锻件毛坯在冷精整起始点位置的尺寸形状设计及影响,通过DEFORM-3D模拟和生产验证,为解决类似冷精整裂纹的问题有一定的借鉴意义。

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