三叉節(jié)溫鍛裂紋改善研究

馬春磊,李　波,傅潔明（萬向集團技術(shù)中心,杭州　311215）

三叉節(jié)溫鍛裂紋改善研究

馬春磊,李波,傅潔明
（萬向集團技術(shù)中心,杭州311215）

通過對三叉節(jié)溫鍛過程各因素進行分析，確定了影響溫鍛裂紋產(chǎn)生的主要影響因素，通過工藝改進大幅降低了三叉節(jié)溫鍛裂紋的產(chǎn)生比例。

三叉節(jié)；裂紋；溫鍛

三球銷式萬向節(jié)是等速萬向節(jié)的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、潤滑好、散熱快、承載能力大和工作可靠等優(yōu)點，在國內(nèi)外被廣泛地應(yīng)用于汽車的前后驅(qū)動軸上[1]。三叉節(jié)作為三球銷萬向節(jié)的一個重要零件，通常采用熱鍛方式加工毛坯。由于熱鍛成形需要浪費大量的金屬材料和機加工過程，所以不少企業(yè)已經(jīng)嘗試采用溫鍛成形加工三叉節(jié)毛坯。溫鍛成形是近年來在冷塑性成形基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一種塑性成形新工藝[2]。它的變溫度通常認(rèn)為是在室溫以上、完全再結(jié)晶溫度以下的溫度范圍內(nèi)。該工藝成形的零件質(zhì)量好、精度高，且能成形形狀復(fù)雜的零件，較熱鍛具有更為顯著的優(yōu)越性[3,4]。然而，溫鍛成形過程中也會出現(xiàn)塑性裂紋（包括內(nèi)部開裂和表面開裂）及折疊等缺陷，極大的影響了產(chǎn)品質(zhì)量[5]。本文通過對三叉節(jié)溫鍛過程中工藝、尺寸等相關(guān)影響因素進行分析，得到了降低三叉節(jié)溫鍛裂紋產(chǎn)生的控制措施。

1　裂紋問題原因分析

對三叉節(jié)采用按照常規(guī)的模式設(shè)計模具和溫鍛工藝加工，溫鍛加工后，產(chǎn)品出現(xiàn)了嚴(yán)重的折疊裂紋，裂紋比例達(dá)到了80%以上（如圖1、2所示）。通過對國外同行的類似產(chǎn)品鍛造方法，發(fā)現(xiàn)國外采用閉模鍛造，具有產(chǎn)品下料重量輕、材料流動距離小等優(yōu)點。限于壓力機噸位和模具制造水平限制，目前只能采用開模鍛造工藝，不能直接通過模具保證三叉節(jié)高度尺寸，所以需要加大產(chǎn)品鍛造高度，預(yù)留后續(xù)車加工余量。這導(dǎo)致了溫鍛過程中下料毛坯重量大，材料鍛造過程中在模腔中的流動距離長等問題。

2　溫鍛工藝改進研究

結(jié)合裂紋發(fā)生的位置和形態(tài)，由于鍛造過程中局部材料流動受阻，尤其是在流動到外輪廓圓角位置時，靠近模具圓角位置的材料流動受阻，速度減慢與其它部位材料流動產(chǎn)生速度差，從而導(dǎo)致材料的堆積并在鍛造后表面形成折疊裂紋。為此，改進措施應(yīng)著力在改善材料流動性和減少材料在模腔內(nèi)流動距離。通過工藝試驗，將產(chǎn)品與過程工藝參數(shù)調(diào)整如下：

（1）調(diào)整產(chǎn)品的外輪廓圓角R，將圓角減小到R0.5；

（2）加大棒料的下料直徑，減小下料的長徑比，將下料長徑比相對原下料尺寸減少0.2，同時減少棒料的下料重量；

（3）增加三叉節(jié)端面外圓的直徑；

（4）增加鍛前毛坯涂層工藝，減少材料與模具間的流動阻力。并相應(yīng)的提高鍛造溫度，提高材料本身的流動性能。

3　改進措施驗證

基于上述的改進措施，通過在400T壓力機進行試鍛，并對鍛造樣品探傷檢測后，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，但產(chǎn)品表面出現(xiàn)了一道可視的劃痕缺陷；經(jīng)進一步分析，該劃痕為產(chǎn)品圓角調(diào)整到后，角度太小，導(dǎo)致這個位置的材料流動太快而引起；將模具圓角調(diào)整到R3而其它參數(shù)不變，再進行小批試驗，試制1500件，通過檢測發(fā)現(xiàn)劃痕消失，裂紋零件比例降低到1%左右。同時，產(chǎn)品的下料重量通過調(diào)整也減少了20g左右，降低材料損耗成本。

4　改進后產(chǎn)品強度復(fù)核

由于更改了產(chǎn)品R角和端面外圓尺寸，為了確認(rèn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改后對性能的影響，對更改前后的零件進行了有限元強度分析。首先定義分析載荷與約束，在實際工作狀態(tài)下，裝配在傳動軸中的三叉節(jié)將承載傳遞變速箱傳遞的扭矩，扭矩的施加點為節(jié)叉頭部與筒形殼接觸位置，約束定義為三叉節(jié)的圓周中心，施加載荷為2700N.m，材料屬性選擇彈性模量為2.1×105N/mm2、泊松比為0.3。分別對改進前后的模型進行計算。

通過計算結(jié)果看，結(jié)構(gòu)變更前應(yīng)力為1182N/mm2，更改后應(yīng)力為1160N/mm2，改進后的應(yīng)力強度較改進前稍有提升，所以不會對產(chǎn)品的使用性能造成影響。

5　結(jié)論

通過對三叉節(jié)溫鍛過程中工藝參數(shù)、產(chǎn)品尺寸等影響因素的分析和調(diào)整，極大的降低了三叉節(jié)溫鍛裂紋的發(fā)生比例（由原來的80%降低到1%），同時也減少了金屬材料的使用；雖然改進后產(chǎn)品應(yīng)力強度略有提高，但不影響產(chǎn)品的使用性能，實現(xiàn)了提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、增加顧客滿意度目的。

[1]張杰,張敏中.三球銷式等速萬向節(jié)的受力分析[J].江蘇理工大學(xué)學(xué)報,1998(09).

[2]肖紅生,林新波等.溫鍛精密成形技術(shù)及其有限元模擬[J].鍛壓技術(shù),2000(02).

[3]崔令江,韓飛編著.塑性加工工藝學(xué)[M].機械工業(yè)出版社,2010(06).

[4]宴爽,李普,潘秀秀等.精密鍛造成形技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展[J].熱加工工藝,2013(08).

[5]朱艷春,曾衛(wèi)東等.數(shù)值模擬技術(shù)及其在塑性成形缺陷預(yù)測中的應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報,2010(12).

馬春磊(1982—)，女，工程師，主要從事：底盤類汽車零部件產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)和項目管理工作。