叉轴锻造工艺开发及模拟技术的应用

文/田兴平,刘亚丽,刘玲玲·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

叉轴锻造工艺开发及模拟技术的应用

文/田兴平,刘亚丽,刘玲玲·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

本文以我厂生产的某叉轴（图1）为例，阐述了该类产品锤上模锻工艺的设计思路，论述了锻造工艺开发时应注意的事项。浅谈了开发过程中的一些关键点以及模拟软件在前期开发中的应用，为开发同类型的产品提供参考。

图1 叉轴示意图

叉轴类零件主要应用于汽车、工程机械、农业机械等传动系统中，是传递动力的重要部件。它的作用是与变速箱、驱动桥一起将发动机的动力传递给车轮。

本文所述叉轴应用于工程机械，重22.9kg，最大长度404mm，最大宽度223mm，两叉口距离150mm，杆部最小直径为φ52mm。

模锻工艺分析

该叉轴属于复杂的叉形件，带细杆，中间有一段宽度较窄的法兰，截面沿轴向的变化较大，两侧叉头宽度较窄，叉口开档大。工艺设计时有两个关键点。

⑴需要设计制坯工序，如果直接使用圆棒料锻打，材料利用率低，且可能出现厚度尺寸不均匀等问题。

⑵需要设计预锻工序，如果采用直接终锻工艺，可能出现锻打充不满等问题。

经过工艺分析，结合我厂实际，确定在13t模锻锤生产线上进行生产，工艺流程为：下料→加热→制坯→加热→预锻→终锻→切边。

锤锻模的排布

锤锻模设计时，应对各成形模膛进行合理的排布，以达到节省模块、减小成形偏心力矩、便于操作等目的。经过分析，采用了预锻模膛在左、终锻模膛在右，前后错开的排布方案，预锻后将坯料翻转180°终锻。这解决了操作工直接水平移动坯料较困难的问题，降低了操作难度。

预锻模膛的设计

预锻模膛的主要作用是改善金属在终锻模膛中的流动条件，使其易于充满终锻模膛，并提高模具的使用寿命。该零件预锻模膛设计的关键在用于分流金属的劈料台，成形时劈料台将金属劈开分流到两侧，保证在终锻成形过程中法兰和两侧叉头充满的同时又不出现折叠，尽可能节约材料。劈料台如图2所示。

预锻模膛依据热锻件图进行设计，但与终锻模膛有一些区别。为了便于充满和出模，形状应简化，圆角和拔模角需适当加大，而且拔模角加大时，应保持分模面尺寸不变，使模膛底部尺寸减小；为了便于金属流动，避免终锻时产生折叠，一些尖角处应做成圆滑形状过渡。预锻模膛杆部示意图如图3所示。

图2 劈料台示意图

图3 预锻模膛杆部示意图

终锻模膛的设计

终锻模膛是用来完成锻件最终成形的模膛，按照热锻件图进行设计和加工。终锻成形过程中，模膛的桥部宽度、上下模桥部的间隙大小、飞边仓的宽度和深度等均会对零件充满和尺寸造成影响。考虑到叉头与杆部的成形状况不同，分别设计了相应的桥部和仓部尺寸。如图4和图5所示。

切边模的设计

凹模的刃口轮廓依据热锻件图的分模面尺寸确定。在设计时凹模刃口要高出四周平面大约20mm，避免切边过程中零件的飞边与凹模干涉导致切偏，而且切边时零件要靠凹模刃口定位。

图4 叉头部分桥部、仓部示意图

图5 杆部桥部、仓部示意图

冲头内部型腔依据热锻件图尺寸确定，外形轮廓根据凹模刃口尺寸确定，但单边需留有1.2mm的间隙，保证切边过程中冲头可以进入凹模。而且冲头与锻件保留侧面间隙1.0mm，避免产生切边压痕。

成形模拟及工艺优化

通过借助一些模拟软件，在产品开发阶段对工艺过程进行仿真模拟，可以提前发现问题。在设计阶段完成优化，提高了工艺开发的成功率，缩短了开发周期，降低了生产成本。

中间坯料的确定

一般常规的中间坯料，由圆棒料改制后各部位以圆形居多。该叉轴若仍采用常规设计，中间坯料在预锻模膛坯料台处接触面较小，定位困难（图6），而且圆形坯料的分料效果欠佳。因此，中间坯对应叉头的部位改进为方形，如图7所示。

为了验证改进后的中间坯料，借助模拟软件对锻造成形过程进行工艺仿真分析。改进后的中间坯定位方便，利于分料，但存在以下问题：在预锻的开始阶段，坯料与模具只在劈料台处有接触，在杆部方向并无制约，成形过程中有向杆部方向移动的趋势，易造成预锻时叉头顶端料不足，终锻时充不满。

图6 圆形坯料定位困难

图7 改进后中间坯

预锻模膛改进

为便于金属流动，简化预锻模膛，预锻模膛在两侧叉头与杆部的连接部位采用大圆弧过渡。经模拟发现，此方案在预锻成形过程中，会导致模具对坯料向杆部方向的位移无法起到限制作用。改进后的预锻模膛在两侧叉头与杆部的连接部位增加了一个阻力槽，起到了限制坯料的作用。图8为改进后的预锻模膛在模拟过程中的实际效果。

图8 预锻模拟示意图

工艺实践

通过多次工艺方案及模具设计优化，经生产验证，满足要求。首次工艺调试，零件尺寸合格，各部位充满情况良好，材料利用率有了明显提高，锻打时操作方便，实际成形过程与模拟结果相符。

图9为生产的合格零件，图10为实际锻打形成的毛边和模拟分析形成的毛边的对比。

图9 锻件示意图

图10 实际毛边与模拟毛边对比

通过借助模拟软件，能够在开发阶段提前优化工艺，减少后期试制时的试验次数，提高新产品一次开发成功率，缩短开发周期。

结束语

本文主要对叉轴零件在开发过程中积累的经验进行了总结。现在各类客户对毛坯供应商的交付节点要求越来越严，所以必须把缩短产品开发周期作为努力的方向，在工艺设计阶段就进行充分的可行性分析，完善优化模具设计，才能生产出合格的零件，保证及时交付。