沈建華+彭勇

摘 要：圍繞兩種輸出軸毛坯結(jié)構(gòu)分析，對(duì)優(yōu)化后的毛坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析及模具動(dòng)作可行性分析，判定輸出軸中間凹面開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的可行性，并驗(yàn)證金屬纖維完整、對(duì)稱(chēng)、連續(xù)性。以期許一種高效、節(jié)約的毛坯形式能替代傳統(tǒng)毛坯結(jié)構(gòu)，為軸類(lèi)零件擠壓工藝及模具結(jié)構(gòu)提供新的參考。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)分動(dòng)器；輸出軸；中間凹面；鍛造

引言

近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅猛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)年產(chǎn)汽車(chē)2800余萬(wàn)輛，已連續(xù)8年蟬聯(lián)全球第一。隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車(chē)用軸、變速箱軸等階梯軸類(lèi)零件的需求量顯著增加。采用傳統(tǒng)的鍛造或車(chē)削工藝加工軸類(lèi)零件存在費(fèi)時(shí)費(fèi)料、成形速度慢、成本高的缺點(diǎn)，阻滯了大批量生產(chǎn)化的進(jìn)行。當(dāng)前，整個(gè)鍛造行業(yè)都朝著更精密、更節(jié)省、更快捷的方向發(fā)展，以達(dá)到少許加工甚至不加工就可得到零件的目的。

本文中所述的輸出軸即用于多軸驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的分動(dòng)器中，將變速箱輸出的動(dòng)力輸出到各驅(qū)動(dòng)橋。輸出軸采用中間凹面結(jié)構(gòu)，降本增效效果顯著，在汽車(chē)零部件需求不斷增長(zhǎng)的形勢(shì)下，必定能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

1 毛坯結(jié)構(gòu)的比較

輸出軸是常規(guī)的軸類(lèi)零件，如圖1中虛線部分，其半成品有法蘭面和齒輪端兩處直徑較大處，中間有較大的凹面，常規(guī)設(shè)計(jì)毛坯采用溫鍛工藝，中間段直徑按齒輪端直徑放余量設(shè)計(jì)，如圖1a，該毛坯中間段機(jī)加工余量過(guò)大，金屬耗材多，且車(chē)出成品后金屬內(nèi)部纖維斷裂，在惡劣工作環(huán)境中易早期斷裂；改進(jìn)后的毛坯如圖1b所示，中間凹面結(jié)構(gòu)通過(guò)溫鍛后冷成形，精度高，機(jī)加工余量很小，成品中軸向連續(xù)對(duì)稱(chēng)分布金屬纖維得以保留，在節(jié)約耗材約30%的同時(shí)，改善了產(chǎn)品力學(xué)性能、增加了輸出軸的使用壽命。

2 優(yōu)選結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝

本工件的關(guān)鍵工序是中間凹面鍛件的成形。落料后的棒料經(jīng)溫鍛多工序擠壓成形，為關(guān)鍵工序提供鍛前坯料，坯料（材質(zhì)40Cr）經(jīng)去應(yīng)力退火硬度降至220HB左右，并經(jīng)磷皂化潤(rùn)滑，為冷變形提供可能性。

為深入了解冷擠壓工序變形過(guò)程中受力狀況、金屬流動(dòng)方向及過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)缺陷等問(wèn)題，我們采用有限元模擬分析軟件DEFORM-3D將該變形過(guò)程參數(shù)化模擬，選取近似材質(zhì)S45C、環(huán)境及塑性體工件溫度設(shè)置20℃，成形過(guò)程忽略溫升效應(yīng)，模具定義為剛性，坯料與模具的接觸摩擦因子為0.12，設(shè)置主模具終了行程42mm，并將原始工件分割為100000個(gè)四面體有限單元進(jìn)行分析。

由圖2a所示，因工件變形結(jié)束時(shí)，尚未形成閉塞擠壓，故顯示冷擠壓過(guò)程中最大成形載荷僅4710kN，最大載荷為成形終了位置，且變形過(guò)程僅為工件中部鐓粗過(guò)程，過(guò)程中沒(méi)有明顯可見(jiàn)折疊等缺陷產(chǎn)生。加之φ38mm細(xì)桿下沖頭最大載荷32.3kN（圖2b），即最大受壓40.16MPa，遠(yuǎn)低于Cr12MoV材料屈服強(qiáng)度，下沖頭壽命可以保證。

3 優(yōu)選結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵模具

針對(duì)上述有限元分析結(jié)果，結(jié)合我公司設(shè)備加工能力，認(rèn)為可以按此工藝進(jìn)行試制。本項(xiàng)目的難點(diǎn)就是轉(zhuǎn)化為工件成形后退料問(wèn)題。

采用如圖3所示的裝配：上凹模2保護(hù)工件上部不發(fā)生塑性變形，下沖頭7保護(hù)原內(nèi)孔不被壓塌，同時(shí)可以防止因內(nèi)孔壓塌后筒形彈性回彈使得工件4、三瓣凹模5及凹模6卡死，減小推料力。在擠壓前，將3個(gè)相互配合的三瓣凹模包裹工件，共同置入凹模6內(nèi)，上凹模下行至預(yù)定位置并回程，工件和三瓣凹模一起被退料器頂起的4根頂桿推出。操作者再將三瓣凹模取下。三瓣凹模外側(cè)采用大拔模角度，以減小退料力。

上述擠壓過(guò)程中，每加工一件都需要將三瓣凹模裝配和卸下一次，且三瓣凹模裝配時(shí)需同時(shí)安裝，所以該工序僅適用于手工操作的設(shè)備中。試生產(chǎn)時(shí)，采用YQ32-630液壓機(jī)，該油壓機(jī)滿載荷630T時(shí)油壓25MPa，壓制過(guò)程中，主缸液壓壓力表盤(pán)顯示壓強(qiáng)20MPa，即最大壓力504T，這與分析過(guò)程中最大載荷4710kN相近。該工序單設(shè)備產(chǎn)量為100件/小時(shí)，具備小批量生產(chǎn)條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)有限元分析結(jié)果，在確定過(guò)程中沒(méi)有缺陷產(chǎn)生及相對(duì)脆弱模具下沖頭壽命可以保障的前提下，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可實(shí)際操作的分解，并對(duì)最終成品尺寸、金屬纖維、力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，確定該方案實(shí)際可行，為軸類(lèi)零件擠壓工藝及模具結(jié)構(gòu)提供新的參考。

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