汽車分動器凹面輸出軸凹面成形技術研發

沈建華+彭勇

摘 要：圍繞兩種輸出軸毛坯結構分析，對優化后的毛坯結構進行有限元模擬分析及模具動作可行性分析，判定輸出軸中間凹面開發項目的可行性，并驗證金屬纖維完整、對稱、連續性。以期許一種高效、節約的毛坯形式能替代傳統毛坯結構，為軸類零件擠壓工藝及模具結構提供新的參考。

關鍵詞：汽車分動器；輸出軸；中間凹面；鍛造

引言

近年來，我國汽車行業發展迅猛，據統計，2016年我國年產汽車2800余萬輛，已連續8年蟬聯全球第一。隨著汽車工業的飛速發展，汽車用軸、變速箱軸等階梯軸類零件的需求量顯著增加。采用傳統的鍛造或車削工藝加工軸類零件存在費時費料、成形速度慢、成本高的缺點，阻滯了大批量生產化的進行。當前，整個鍛造行業都朝著更精密、更節省、更快捷的方向發展，以達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動汽車的分動器中，將變速箱輸出的動力輸出到各驅動橋。輸出軸采用中間凹面結構，降本增效效果顯著，在汽車零部件需求不斷增長的形勢下，必定能帶來巨大的經濟效應。

1 毛坯結構的比較

輸出軸是常規的軸類零件，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，常規設計毛坯采用溫鍛工藝，中間段直徑按齒輪端直徑放余量設計，如圖1a，該毛坯中間段機加工余量過大，金屬耗材多，且車出成品后金屬內部纖維斷裂，在惡劣工作環境中易早期斷裂；改進后的毛坯如圖1b所示，中間凹面結構通過溫鍛后冷成形，精度高，機加工余量很小，成品中軸向連續對稱分布金屬纖維得以保留，在節約耗材約30%的同時，改善了產品力學性能、增加了輸出軸的使用壽命。

2 優選結構的關鍵工藝

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

為深入了解冷擠壓工序變形過程中受力狀況、金屬流動方向及過程中是否會出現缺陷等問題，我們采用有限元模擬分析軟件DEFORM-3D將該變形過程參數化模擬，選取近似材質S45C、環境及塑性體工件溫度設置20℃，成形過程忽略溫升效應，模具定義為剛性，坯料與模具的接觸摩擦因子為0.12，設置主模具終了行程42mm，并將原始工件分割為100000個四面體有限單元進行分析。

由圖2a所示，因工件變形結束時，尚未形成閉塞擠壓，故顯示冷擠壓過程中最大成形載荷僅4710kN，最大載荷為成形終了位置，且變形過程僅為工件中部鐓粗過程，過程中沒有明顯可見折疊等缺陷產生。加之φ38mm細桿下沖頭最大載荷32.3kN（圖2b），即最大受壓40.16MPa，遠低于Cr12MoV材料屈服強度，下沖頭壽命可以保證。

3 優選結構的關鍵模具

針對上述有限元分析結果，結合我公司設備加工能力，認為可以按此工藝進行試制。本項目的難點就是轉化為工件成形后退料問題。

采用如圖3所示的裝配：上凹模2保護工件上部不發生塑性變形，下沖頭7保護原內孔不被壓塌，同時可以防止因內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個相互配合的三瓣凹模包裹工件，共同置入凹模6內，上凹模下行至預定位置并回程，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。三瓣凹模外側采用大拔模角度，以減小退料力。

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

4 結束語

針對有限元分析結果，在確定過程中沒有缺陷產生及相對脆弱模具下沖頭壽命可以保障的前提下，對模具結構進行了可實際操作的分解，并對最終成品尺寸、金屬纖維、力學性能進行評估，確定該方案實際可行，為軸類零件擠壓工藝及模具結構提供新的參考。

參考文獻

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