免焊长轴温正挤成形分析

冯飞

摘要：以一种更具效率、节约加工成本的方式加工免焊长轴内球笼，本文所提及的免焊长轴内球笼是汽车的关键部件之一，也称为一体式长轴内球笼。本文制定了免焊长轴内球笼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、节约的加工工艺能够替代传统的长轴加工工艺。

关键词：免焊长轴；温正挤；减径；有限元模拟

随着人们生活水平的提高，汽车逐步走进千家万户中。汽车用等速万向节总成是安装在汽车差速器和轮毂之间或变速箱末端齿轮与轮毂之间用于传递动力和扭矩的机械部件。等速万向节总成的输入轴和输出轴以等于1的瞬时角速度比传递运动，在传递动力和扭矩的同时还同步改变工作角度，进行伸缩滑移以补偿传动装置中轴向尺寸的变化，而上述功能主要由等速万向节总成的内球笼和外球笼实现。内球笼作为汽车的关键部件之一，直接关系到汽车的转向驱动性能，对提高整个汽车的动力性、操纵性都起着至关重要的作用，并且由于其传递繁重的驱动力矩，承受负荷重，传动精度高，需求量很大，又是安全件，对其强度、精度、安全性能和使用寿命都有着很高的要求，因此其主要零件均采用精锻件加工而成。

1 工艺方案制定

免焊长轴内球笼作为等速万向节的一种，具有成形难度较高，加工工序多且复杂，杆部细长等特点，传统的加工方法是将长轴进行机械切削加工之后与内球笼进行摩擦焊接，这种加工方法使得材料的利用率很低，而且由于长轴是焊接上的，长轴的金属流线与内球笼的金属流线是断开的，对其使用性能有所影响，而且生产工艺比较繁琐，生产成本较高。

目前长轴的锻造加工工艺为：下料、抛丸、涂层、加热、镦粗、反挤、去应力退火、抛丸、前处理、第一道减径、去应力退火、抛丸、前处理、第二道减径、精整、取长、校直、超声波探伤、发货。

温正挤长轴的锻造加工工艺为：下料、抛丸、涂层、加热、正挤、镦粗、反挤、去应力退火、抛丸、前处理、减径、精整、取长、校直、超声波探伤、发货。温正挤工艺与正常生产工艺相比较少了一道冷挤压过程（即第一道减径），将其与温正挤工艺里的正挤压锻件头部结合一次成形。两者相比较而言有以下优点：①减少了第一道减径锻压设备投资，降低了生产成本；②减少了减径前的去应力退火、抛丸、前处理三道工序，既提高了生产效率也降低了生产成本。

对于需要两道减径的免焊长轴内球笼来说，减径时由于冷作硬化现象，会使得杆部硬度提高，减径量越大硬度提高越多，经过一道去应力退火后，消除杆部内应力，软化杆部硬度，然后再抛丸前处理进行第二道减径，以此来将杆部硬度控制在合理的加工范围之内。倘若将正常生产工艺减少一道去应力退火、抛丸、前处理，采用两道连续减径，由于两次连续的冷作硬化现象会导致杆部硬度偏高。硬度偏高会产生如下影响：①导致减径模具拉毛，从而产品杆部拉毛，生产进行不下去；②杆部开裂；③硬度偏高，不利于后续的花键加工。另外，两道减径由于减径量比较大的缘故可能导致减径过程中出现杆部弯曲的现象。而温正挤则不会出现这种状况，其从温锻到减径之间的变形量比较小，所以硬度的变化相对较小，不会出现连续减径时硬度偏高的现象，其次，在减径过程中受到的力相对而言比两道减径的小，不会出现弯曲的情况。

2 有限元模拟分析

该工件的关键工序是筒形部分内腔的反挤成形，需要着重关注的内腔的折叠缺陷，同时也需要关注杆部的长度。棒料经正挤后镦粗成形，为反挤这一关键工序提供锻前坯料，如果镦粗的杆部长度比反挤的杆部长度长的话就会在反挤产生折叠现象，同样，如果正挤杆部长度比镦粗杆部长度长则会导致镦粗折叠。为了深入了解反挤工序变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750℃，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，设置主模具的行程为44mm，并将原始工件分割为20000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4500kN并趋于稳定至终了位置，除去筒形部分的端面截面积为3121.879mm2，单位面积受力约1442N/mm2。由于关键工序中，筒形部分在反挤时会包裹冲头，并且金属在变形时会产生大量的热量，所以模具温度上升速度较快，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，并且该材料的回火溫度在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，确定过程中各处饱满以及没有折叠缺陷产生的情况下，调整反挤孔深。由于工件杆部长度较长，在退料时会受到较大的退料力，所以将杆部的模具加工成带有一定锥度的形状，从而降低了退料力。通过实际生产试制，达到了预期的退料效果，能够满足批量生产的要求。

随着汽车产业的不断发展，对于等速万向节锻件的需求也在不断增加，因此对于锻件生产率的要求也在不断提升。对于产能提升要么在现有设备的基础上进行改进，要么增大设备投入，而对于设备投入也要争取较小的投入获得较大的回报，所以免焊长轴万向节的温正挤工艺实施还是有必要的。

参考文献：

[1]吴诗.冷温挤压技术[M].北京：机械工业出版社，1995.