叉軸鍛造工藝開發(fā)及模擬技術(shù)的應(yīng)用

文/田興平,劉亞麗,劉玲玲·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠

本文以我廠生產(chǎn)的某叉軸（圖1）為例，闡述了該類產(chǎn)品錘上模鍛工藝的設(shè)計(jì)思路，論述了鍛造工藝開發(fā)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。淺談了開發(fā)過程中的一些關(guān)鍵點(diǎn)以及模擬軟件在前期開發(fā)中的應(yīng)用，為開發(fā)同類型的產(chǎn)品提供參考。

圖1 叉軸示意圖

叉軸類零件主要應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等傳動(dòng)系統(tǒng)中，是傳遞動(dòng)力的重要部件。它的作用是與變速箱、驅(qū)動(dòng)橋一起將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給車輪。

本文所述叉軸應(yīng)用于工程機(jī)械，重22.9kg，最大長度404mm，最大寬度223mm，兩叉口距離150mm，桿部最小直徑為φ52mm。

模鍛工藝分析

該叉軸屬于復(fù)雜的叉形件，帶細(xì)桿，中間有一段寬度較窄的法蘭，截面沿軸向的變化較大，兩側(cè)叉頭寬度較窄，叉口開檔大。工藝設(shè)計(jì)時(shí)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

⑴需要設(shè)計(jì)制坯工序，如果直接使用圓棒料鍛打，材料利用率低，且可能出現(xiàn)厚度尺寸不均勻等問題。

⑵需要設(shè)計(jì)預(yù)鍛工序，如果采用直接終鍛工藝，可能出現(xiàn)鍛打充不滿等問題。

經(jīng)過工藝分析，結(jié)合我廠實(shí)際，確定在13t模鍛錘生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)，工藝流程為：下料→加熱→制坯→加熱→預(yù)鍛→終鍛→切邊。

錘鍛模的排布

錘鍛模設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對各成形模膛進(jìn)行合理的排布，以達(dá)到節(jié)省模塊、減小成形偏心力矩、便于操作等目的。經(jīng)過分析，采用了預(yù)鍛模膛在左、終鍛模膛在右，前后錯(cuò)開的排布方案，預(yù)鍛后將坯料翻轉(zhuǎn)180°終鍛。這解決了操作工直接水平移動(dòng)坯料較困難的問題，降低了操作難度。

預(yù)鍛模膛的設(shè)計(jì)

預(yù)鍛模膛的主要作用是改善金屬在終鍛模膛中的流動(dòng)條件，使其易于充滿終鍛模膛，并提高模具的使用壽命。該零件預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在用于分流金屬的劈料臺(tái)，成形時(shí)劈料臺(tái)將金屬劈開分流到兩側(cè)，保證在終鍛成形過程中法蘭和兩側(cè)叉頭充滿的同時(shí)又不出現(xiàn)折疊，盡可能節(jié)約材料。劈料臺(tái)如圖2所示。

預(yù)鍛模膛依據(jù)熱鍛件圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，但與終鍛模膛有一些區(qū)別。為了便于充滿和出模，形狀應(yīng)簡化，圓角和拔模角需適當(dāng)加大，而且拔模角加大時(shí)，應(yīng)保持分模面尺寸不變，使模膛底部尺寸減小；為了便于金屬流動(dòng)，避免終鍛時(shí)產(chǎn)生折疊，一些尖角處應(yīng)做成圓滑形狀過渡。預(yù)鍛模膛桿部示意圖如圖3所示。

圖2 劈料臺(tái)示意圖

圖3 預(yù)鍛模膛桿部示意圖

終鍛模膛的設(shè)計(jì)

終鍛模膛是用來完成鍛件最終成形的模膛，按照熱鍛件圖進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工。終鍛成形過程中，模膛的橋部寬度、上下模橋部的間隙大小、飛邊倉的寬度和深度等均會(huì)對零件充滿和尺寸造成影響。考慮到叉頭與桿部的成形狀況不同，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的橋部和倉部尺寸。如圖4和圖5所示。

切邊模的設(shè)計(jì)

凹模的刃口輪廓依據(jù)熱鍛件圖的分模面尺寸確定。在設(shè)計(jì)時(shí)凹模刃口要高出四周平面大約20mm，避免切邊過程中零件的飛邊與凹模干涉導(dǎo)致切偏，而且切邊時(shí)零件要靠凹模刃口定位。

圖4 叉頭部分橋部、倉部示意圖

圖5 桿部橋部、倉部示意圖

沖頭內(nèi)部型腔依據(jù)熱鍛件圖尺寸確定，外形輪廓根據(jù)凹模刃口尺寸確定，但單邊需留有1.2mm的間隙，保證切邊過程中沖頭可以進(jìn)入凹模。而且沖頭與鍛件保留側(cè)面間隙1.0mm，避免產(chǎn)生切邊壓痕。

成形模擬及工藝優(yōu)化

通過借助一些模擬軟件，在產(chǎn)品開發(fā)階段對工藝過程進(jìn)行仿真模擬，可以提前發(fā)現(xiàn)問題。在設(shè)計(jì)階段完成優(yōu)化，提高了工藝開發(fā)的成功率，縮短了開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本。

中間坯料的確定

一般常規(guī)的中間坯料，由圓棒料改制后各部位以圓形居多。該叉軸若仍采用常規(guī)設(shè)計(jì)，中間坯料在預(yù)鍛模膛坯料臺(tái)處接觸面較小，定位困難（圖6），而且圓形坯料的分料效果欠佳。因此，中間坯對應(yīng)叉頭的部位改進(jìn)為方形，如圖7所示。

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的中間坯料，借助模擬軟件對鍛造成形過程進(jìn)行工藝仿真分析。改進(jìn)后的中間坯定位方便，利于分料，但存在以下問題：在預(yù)鍛的開始階段，坯料與模具只在劈料臺(tái)處有接觸，在桿部方向并無制約，成形過程中有向桿部方向移動(dòng)的趨勢，易造成預(yù)鍛時(shí)叉頭頂端料不足，終鍛時(shí)充不滿。

圖6 圓形坯料定位困難

圖7 改進(jìn)后中間坯

預(yù)鍛模膛改進(jìn)

為便于金屬流動(dòng)，簡化預(yù)鍛模膛，預(yù)鍛模膛在兩側(cè)叉頭與桿部的連接部位采用大圓弧過渡。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，此方案在預(yù)鍛成形過程中，會(huì)導(dǎo)致模具對坯料向桿部方向的位移無法起到限制作用。改進(jìn)后的預(yù)鍛模膛在兩側(cè)叉頭與桿部的連接部位增加了一個(gè)阻力槽，起到了限制坯料的作用。圖8為改進(jìn)后的預(yù)鍛模膛在模擬過程中的實(shí)際效果。

圖8 預(yù)鍛模擬示意圖

工藝實(shí)踐

通過多次工藝方案及模具設(shè)計(jì)優(yōu)化，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，滿足要求。首次工藝調(diào)試，零件尺寸合格，各部位充滿情況良好，材料利用率有了明顯提高，鍛打時(shí)操作方便，實(shí)際成形過程與模擬結(jié)果相符。

圖9為生產(chǎn)的合格零件，圖10為實(shí)際鍛打形成的毛邊和模擬分析形成的毛邊的對比。

圖9 鍛件示意圖

圖10 實(shí)際毛邊與模擬毛邊對比

通過借助模擬軟件，能夠在開發(fā)階段提前優(yōu)化工藝，減少后期試制時(shí)的試驗(yàn)次數(shù)，提高新產(chǎn)品一次開發(fā)成功率，縮短開發(fā)周期。

結(jié)束語

本文主要對叉軸零件在開發(fā)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)?，F(xiàn)在各類客戶對毛坯供應(yīng)商的交付節(jié)點(diǎn)要求越來越嚴(yán)，所以必須把縮短產(chǎn)品開發(fā)周期作為努力的方向，在工藝設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行充分的可行性分析，完善優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，才能生產(chǎn)出合格的零件，保證及時(shí)交付。