文/戴偉燕·球豹閥門有限公司
胡艷軍·中冶重工(唐山)有限公司
叉軸類零件作為傳遞動力的重要零件,廣泛應用于汽車、工程機械等領域,其作用是與變速箱、驅動橋等一起將動力傳遞給車輪。目前中國汽車年產銷量近3000 萬臺,作為動力傳動的關鍵零部件,需求量巨大。
圖1 是某機型叉軸零件圖,由于叉軸類產品結構比較復雜,截面沿軸向變化較大,目前傳統的叉軸鍛造多采用模鍛錘生產,工藝路線為:下料→加熱→制坯→加熱→預鍛→終鍛→切邊。傳統的鍛造工藝需要2 次加熱、4 道工序,生產成本高,生產效率低,同時還會產生大量的切邊廢料和氧化燒損,為了解決這些問題,我公司對叉軸的鍛造工藝進行了升級研發。
由于傳統工藝火次、工序多,飛邊廢料大,能源消耗和成本較高,我公司著重從解決這幾個問題上制定鍛造工藝,最終選擇采用多向模鍛工藝,減少鍛造工序和投料重量,降低能源消耗。
多向模鍛是近幾年興起的鍛造新工藝,它是在模鍛工藝的基礎上進行升級,通過多向模鍛液壓機實現的一種模鍛和擠壓復合的鍛造工藝。相比傳統的模鍛工藝,多向模鍛工藝可以一火一次完成復雜鍛件的無飛邊鍛造,鍛件具有投料重量輕,成形質量好,成形精度高,毛坯形狀更復雜、更接近成品形狀等優點。但是多向模鍛工藝的成形模具結構更復雜,模具成形動作更復雜,對工藝設計和參數控制要求更高。
根據多向模鍛工藝的特點,我公司初步設計了該叉軸的多向模鍛鍛件。初步擬定了多向模鍛工藝路線為:加熱→多向模鍛。僅需一次加熱、一次鍛造即可鍛造出無飛邊的叉軸鍛件。
試制前通過DEFORM模擬仿真軟件對多向模鍛過程進行模擬,旨在提前發現鍛造缺陷,提高試制成功率,縮短開發周期,降低成本。
多向模鍛是一種以擠壓為主,擠壓和模鍛復合成形的閉式鍛造工藝,多向模鍛的主要優勢是能夠成形形狀復雜、有內腔的鍛件,鍛件在三向壓應力狀態下成形,可變形量增大,流線完整,最終鍛造的鍛件產品無飛邊,機械性能優越。
該叉軸鍛件有一段細長柄和端部一個分叉結構,限制了產品模具的分模面和分模方向的選擇,我公司的多向模鍛液壓機功能參數見表1。
表1 我公司的多向模鍛液壓機功能參數
結合該叉軸產品的結構特點和我公司的設備能力,最終采用左右分模、垂直擠壓、前后擠孔充滿的工藝路線,通過垂直方向的擠壓完成端部分叉結構的分料,最后通過前后擠孔完成鍛件最終的成形。
圖2、圖3 是叉軸鍛件多向模鍛工藝成形過程模擬仿真結果,鍛件材質為40Cr,通過Gleeble-3500熱模擬試驗機獲得該材料高溫下的物理熱力學數據,建立該材料的模型導入仿真模擬軟件,始鍛溫度為1200℃,并根據經驗設置摩擦系數、熱傳導系數等邊界條件,確保模擬結果盡可能真實。
通過鍛造過程的模擬結果可以看出,在叉軸鍛件的成形過程中,材料流動順暢,無折疊、夾層等缺陷出現。
圖4 是對鍛造完成后鍛件的溫度場模擬結果,可以看出,鍛造完成時,鍛件溫度均在終鍛溫度之上,且各部分溫降相對均勻,鍛件沒有局部溫降過大的情況出現。
通過前期對該產品多向模鍛工藝的仿真模擬,初步判斷該多向模鍛工藝成形比較合理,鍛件無明顯缺陷,隨后我公司開始著手模具設計和生產。
根據鍛件的結構特點和我公司的多向模鍛液壓機功能參數情況,確定了該叉軸鍛件的鍛造工藝路線,并設計了該產品多向模鍛模具,模具主要由五部分組成:垂直擠壓凸模一件、左右水平方向的合模凹模兩件以及前后水平方向的擠孔凸模兩件,模具結構簡圖如圖5 所示。
模具投料加工完成后,我公司按照設計的工藝路線進行了該叉軸產品的鍛造試制,首先左右凹模在多向模鍛液壓機的驅動下合模形成封閉型腔,取出加熱完成后的原材料放入型腔,隨后垂直擠壓凸模開始向下擠壓,擠壓到位后完成鍛件分叉的分料,最后前后擠孔凸模擠孔成形,完成產品最終的鍛造,再依次開模取出鍛件,完成整個鍛件試制。本次試制一次成功,順利完成叉軸的鍛造并批量投產,在實際生產中最終驗證了模擬和設計的結果。
圖6 為我公司實際鍛造生產的叉軸多向模鍛鍛件,產品無飛邊,投料重量輕,材料利用率超高,成形精度高,大大節約了機加工工時,達到了降本增效的目的,而且產品流線完整,各項機械性能較傳統模鍛件均有顯著的提高,市場競爭力優勢明顯。
叉軸作為汽車傳動系統的重要零部件,對產品的性能要求高,需求量大,傳統的鍛造工藝生產叉軸工序繁多,能源消耗大,投料重量重,多向模鍛工藝的運用能夠大大減少叉軸鍛造的生產工序,提升產品性能,同時還能減少能源消耗,降低投料重量,符合國家和社會對制造業公司節能降耗、降本增效的要求,在日益劇烈的市場競爭中有著巨大的優勢,而鍛造仿真模擬的運用又能大大縮短產品試制的周期,降低試制的成本,多向模鍛工藝和鍛造模擬仿真相結合,相得益彰。