叉軸鍛造工藝開發及模擬技術的應用

文/田興平,劉亞麗,劉玲玲·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

叉軸鍛造工藝開發及模擬技術的應用

文/田興平,劉亞麗,劉玲玲·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

本文以我廠生產的某叉軸（圖1）為例，闡述了該類產品錘上模鍛工藝的設計思路，論述了鍛造工藝開發時應注意的事項。淺談了開發過程中的一些關鍵點以及模擬軟件在前期開發中的應用，為開發同類型的產品提供參考。

圖1 叉軸示意圖

叉軸類零件主要應用于汽車、工程機械、農業機械等傳動系統中，是傳遞動力的重要部件。它的作用是與變速箱、驅動橋一起將發動機的動力傳遞給車輪。

本文所述叉軸應用于工程機械，重22.9kg，最大長度404mm，最大寬度223mm，兩叉口距離150mm，桿部最小直徑為φ52mm。

模鍛工藝分析

該叉軸屬于復雜的叉形件，帶細桿，中間有一段寬度較窄的法蘭，截面沿軸向的變化較大，兩側叉頭寬度較窄，叉口開檔大。工藝設計時有兩個關鍵點。

⑴需要設計制坯工序，如果直接使用圓棒料鍛打，材料利用率低，且可能出現厚度尺寸不均勻等問題。

⑵需要設計預鍛工序，如果采用直接終鍛工藝，可能出現鍛打充不滿等問題。

經過工藝分析，結合我廠實際，確定在13t模鍛錘生產線上進行生產，工藝流程為：下料→加熱→制坯→加熱→預鍛→終鍛→切邊。

錘鍛模的排布

錘鍛模設計時，應對各成形模膛進行合理的排布，以達到節省模塊、減小成形偏心力矩、便于操作等目的。經過分析，采用了預鍛模膛在左、終鍛模膛在右，前后錯開的排布方案，預鍛后將坯料翻轉180°終鍛。這解決了操作工直接水平移動坯料較困難的問題，降低了操作難度。

預鍛模膛的設計

預鍛模膛的主要作用是改善金屬在終鍛模膛中的流動條件，使其易于充滿終鍛模膛，并提高模具的使用壽命。該零件預鍛模膛設計的關鍵在用于分流金屬的劈料臺，成形時劈料臺將金屬劈開分流到兩側，保證在終鍛成形過程中法蘭和兩側叉頭充滿的同時又不出現折疊，盡可能節約材料。劈料臺如圖2所示。

預鍛模膛依據熱鍛件圖進行設計，但與終鍛模膛有一些區別。為了便于充滿和出模，形狀應簡化，圓角和拔模角需適當加大，而且拔模角加大時，應保持分模面尺寸不變，使模膛底部尺寸減小；為了便于金屬流動，避免終鍛時產生折疊，一些尖角處應做成圓滑形狀過渡。預鍛模膛桿部示意圖如圖3所示。

圖2 劈料臺示意圖

圖3 預鍛模膛桿部示意圖

終鍛模膛的設計

終鍛模膛是用來完成鍛件最終成形的模膛，按照熱鍛件圖進行設計和加工。終鍛成形過程中，模膛的橋部寬度、上下模橋部的間隙大小、飛邊倉的寬度和深度等均會對零件充滿和尺寸造成影響。考慮到叉頭與桿部的成形狀況不同，分別設計了相應的橋部和倉部尺寸。如圖4和圖5所示。

切邊模的設計

凹模的刃口輪廓依據熱鍛件圖的分模面尺寸確定。在設計時凹模刃口要高出四周平面大約20mm，避免切邊過程中零件的飛邊與凹模干涉導致切偏，而且切邊時零件要靠凹模刃口定位。

圖4 叉頭部分橋部、倉部示意圖

圖5 桿部橋部、倉部示意圖

沖頭內部型腔依據熱鍛件圖尺寸確定，外形輪廓根據凹模刃口尺寸確定，但單邊需留有1.2mm的間隙，保證切邊過程中沖頭可以進入凹模。而且沖頭與鍛件保留側面間隙1.0mm，避免產生切邊壓痕。

成形模擬及工藝優化

通過借助一些模擬軟件，在產品開發階段對工藝過程進行仿真模擬，可以提前發現問題。在設計階段完成優化，提高了工藝開發的成功率，縮短了開發周期，降低了生產成本。

中間坯料的確定

一般常規的中間坯料，由圓棒料改制后各部位以圓形居多。該叉軸若仍采用常規設計，中間坯料在預鍛模膛坯料臺處接觸面較小，定位困難（圖6），而且圓形坯料的分料效果欠佳。因此，中間坯對應叉頭的部位改進為方形，如圖7所示。

為了驗證改進后的中間坯料，借助模擬軟件對鍛造成形過程進行工藝仿真分析。改進后的中間坯定位方便，利于分料，但存在以下問題：在預鍛的開始階段，坯料與模具只在劈料臺處有接觸，在桿部方向并無制約，成形過程中有向桿部方向移動的趨勢，易造成預鍛時叉頭頂端料不足，終鍛時充不滿。

圖6 圓形坯料定位困難

圖7 改進后中間坯

預鍛模膛改進

為便于金屬流動，簡化預鍛模膛，預鍛模膛在兩側叉頭與桿部的連接部位采用大圓弧過渡。經模擬發現，此方案在預鍛成形過程中，會導致模具對坯料向桿部方向的位移無法起到限制作用。改進后的預鍛模膛在兩側叉頭與桿部的連接部位增加了一個阻力槽，起到了限制坯料的作用。圖8為改進后的預鍛模膛在模擬過程中的實際效果。

圖8 預鍛模擬示意圖

工藝實踐

通過多次工藝方案及模具設計優化，經生產驗證，滿足要求。首次工藝調試，零件尺寸合格，各部位充滿情況良好，材料利用率有了明顯提高，鍛打時操作方便，實際成形過程與模擬結果相符。

圖9為生產的合格零件，圖10為實際鍛打形成的毛邊和模擬分析形成的毛邊的對比。

圖9 鍛件示意圖

圖10 實際毛邊與模擬毛邊對比

通過借助模擬軟件，能夠在開發階段提前優化工藝，減少后期試制時的試驗次數，提高新產品一次開發成功率，縮短開發周期。

結束語

本文主要對叉軸零件在開發過程中積累的經驗進行了總結。現在各類客戶對毛坯供應商的交付節點要求越來越嚴，所以必須把縮短產品開發周期作為努力的方向，在工藝設計階段就進行充分的可行性分析，完善優化模具設計，才能生產出合格的零件，保證及時交付。