梅花联轴器的温锻成形与分析

冯飞

摘要：以一种更具效率的方式加工联轴器，本文所提及的联轴器是一种应用很普遍的梅花联轴器，也叫爪式联轴器，其外形结构比较简单，其端面上有四个凸台。本文制定了梅花联轴器的锻造成形的工艺方案，并采用刚塑性有限元法对其成形过程进行模拟，同时在此基础上对工艺方案进行优化，以期许一种高效、节约的毛坯形式能替代传统毛坯结构。

关键词：梅花联轴器；有限元模拟；温锻成形

梅花联轴器是机械产品轴系传动中最常用的连接部件HYPERLINK"http：//www.so.com/s？q=%E9%83%A8%E4%BB%B6&ie=utf8&src=internal_wenda_recommend_textn"＼t"_blank"，它具有结构简单、无需润滑、方便维修、便于检查、免维护，可连续长期运行，工作稳定可靠，具有良好的减振、缓冲作用，并且具有较大的轴向、径向和角向补偿能力。结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，广泛应用于数控车床、加工中心、雕刻机、数控铣床、冶金机械、矿山机械、石油机械、化工机械、起重机械、运输机械、轻工机械、纺织机械、水泵、风机、空压机等领域，有着非常广阔的市场空间。联轴器由两个金属爪盘和一个弹性体组成，两个金属爪盘分别与主动轴和从动轴联接，联轴器中间靠弹性体连接。

1 工艺方案制定

梅花联轴器的传统加工工艺是经过车削、铣削和拉削等机加工方法之后再经过整体热处理而成，这种加工工艺存在着很大的材料损耗而且加工周期比较长，因此只适合小批量生产。目前市场上还有一种联轴器的加工工艺是铸造而成，虽然这种加工方法能够适应大批量生产，并且能够节省加工时的材料损耗，所以铸件联轴器在产品价格上会比机加工的联轴器少很多，但是铸铁件也有其缺点，在转速比较高的场合或者载荷比较高的情况下运转会发生打爪（齿爪脱落）现象，因此在一些要求比较高的重要场合最好还是不要使用铸件，而锻造则是既保留了钢件的强度与韧性也降低了机加工的加工余量。金属材料经过锻造加工后能改善其组织结构HYPERLINK"https：//baike.so.com/doc/429635454984.html"＼t"_blank"和力学性能。经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使金属材料中原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，使其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。此外锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与较长的使用寿命，这都是铸件所无法比拟的。

由于联轴器的齿爪部分是由锻造直接成形，并且齿爪部分与联轴器柄部也几乎不再进行机加工，所以对齿爪部分与柄部的同轴度要求比较高，因此采取温锻方案。为了避免工件由棒料直接反挤到尺寸产生折叠等缺陷，因此采取两道工序，棒料经镦粗后反挤成形，所以联轴器的工艺路线是：下料、抛丸、涂层、加热、镦粗、反挤、取长。

由于设备由静止状态启动时会产生较大的扭矩或者是高速以及过载荷的情况下产生齿爪崩断飞出现象，这种状况会严重威胁设备以及操作者的人生安全，所以对从动联轴器的形状进行调整，如下图所示，即使联轴器的齿爪被崩断了也只是包裹在从动联轴器里不会飞出来，从而达到保护的目的。其工艺路线与上述联轴器的工艺路线相同。

2 有限元模拟分析

该工件的关键工序是端面上的四个凸台需要同时成形。棒料经镦粗成形，为反挤这一关键工序提供锻前坯料，为了深入了解反挤工序變形过程中反挤冲头受力情况、金属流动方向及反挤过程中是否会出现缺陷等问题，采用有限元分析软件Deform3D将该变形的过程参数化模拟，选取近似材质ANSI1055，塑性体工件坯料温度设置700℃，环境温度700℃，工件的成形过程中忽略温升效应，将模具定义为刚性，坯料与模具的接触摩擦因子为0.25，设置主模具的形成为11mm，并将原始工件分割为5000个四面体有限单元进行分析。

由下图所示，冲头在接触工件开始挤压时受力最大，达到2500kN并趋于稳定至终了位置，除去四个凸台的端面截面积为4316.249 mm2，单位面积受力约580N/mm2。由于关键工序中，凸台经过反挤向上流动时由于金属流动所产生的表面缺陷比较严重，因此调整模具结构，当压力设备开始挤压时，四个凸台经过正挤压向下流动，由于该结构需要将联轴器的柄部包裹在冲头中，这就导致冲头的壁厚比较薄，所以冲头材料选用65Nb，冲头调质硬度5860HRC，该材质与高速钢的淬火组织中的化学成分相同，但其不含有大量的未溶碳化物，所以韧性及疲劳强度都比高速钢高，并且该材料的回火温度在520℃以上，回火温度高，具有一定的红硬性，适合该产品冲头壁薄易温升的特性。

3 结语

针对有限元分析结果，在确定过程中各处饱满以及没有折叠等缺陷产生的情况下，调整设备行程控制凸台的高度。针对退料力过大导致退料器断裂现象，将退料器由正常的细长圆杆调整为与凸台形状相仿的仿行退料器，大大的提高了退料器的强度，产品端面相对比较平整。通过实际试制，达到预期效果，能够满足批量生产要求。

参考文献：

[1][JP2]吴诗.冷温挤压技术[M].北京：机械工业出版社，1995.[JP]