三銷軸叉精整底部裂紋產生和防護

王德林，陸有根，吳兵

（上海納鐵福傳動系統有限公司 制造工程部，上海 201315）

三銷軸叉精整底部裂紋產生和防護

王德林，陸有根，吳兵

（上海納鐵福傳動系統有限公司 制造工程部，上海 201315）

三銷軸叉精鍛件是汽車等速傳動系統中的關鍵零件，其頭部內、外腔形狀復雜，尺寸精度要求高，故一般采用溫鍛預成形+冷精整成形復合成形技術，而預成形溫鍛件設計不合理，在冷精整成形中，存在內腔底部薄壁處出現裂紋的問題。利用數值模擬技術，分析了三銷軸叉冷精整型腔底部區域成形過程的成形力、應力、應變的變化，對預成形溫鍛件進行了優化，設計了不同的入模角，入模角的起始點位于內腔基準平面之上。工程實踐后，優化后的預成形溫鍛件在冷整形后，口部內腔底部沒有裂紋產生，流線連續，獲得較為理想的精鍛件。證明優化后的預成形溫鍛件，經冷精整成形后，精鍛件產品質量顯著提高，可有效防止裂紋產生。

三銷軸叉；冷精整；裂紋；預成形；入模角

三銷軸叉是汽車等速傳動系統中的關鍵零件，汽車發動機的動力從變速箱通過傳動系統傳遞到車輪；在傳遞期間，三銷軸叉需要承受較大的力矩，且對傳動精度要求較高。三銷軸叉頭部內外表面不進行機加工，頭部的尺寸公差要求控制在0.1 mm之內。若對三銷軸叉鍛件直接進行單純的溫鍛成形，則頭部尺寸很難達到產品要求；若對三銷軸叉鍛件直接進行單純的冷擠壓成形，由于該零件形狀復雜，變形量大，單純的冷擠壓成形三銷軸叉零件很困難。成形該零件一般采用溫、冷精鍛復合成形技術[1]。冷擠壓技術是利用金屬材料在冷變形時的加工硬化特性，使擠壓件的強度提高[2—3]，冷擠壓后，三銷軸叉精鍛件強度滿足產品使用要求。文中通過數值模擬[4—6]與工程實踐相結合的方法，分析三銷軸叉精整底部裂紋的產生原因，研究材料流動規律，優化預成形工藝，避免裂紋產生。

1 精整件底部裂紋位置描述

三銷軸叉精鍛件所用材料為XC45，典型的溫冷復合成形工藝為：下料→拋丸→預涂→感應加熱→正擠柄部→頭部鐓粗→反擠頭部成形→拋丸→冷精整。其中坯料加熱到 600～800 ℃溫度范圍內成形而成的鍛件稱之為溫鍛件，并且溫鍛件至冷精整的成形過程是最關鍵的工藝，見圖1，在后續機加工探傷過程中，發現在冷精整件底部壁薄處出現裂紋，見圖2。進一步發現裂紋從內壁開始，沿一定的上升角度擴展，但裂紋沒有穿透薄壁。

圖1 三銷軸叉冷精整成形工藝Fig.1 Process of cold forming for Tulip

圖2 裂紋位置及放大Fig.2 Crack location and its enlargement

2 工藝設計方案

2.1 改進前方案

改進前的溫鍛件見圖 3a，在三銷軸叉溫鍛件頭部的末端沿周向有均勻一圈的 6o入模角，且該溫鍛件碗底較厚，內腔的基準平面至入模角的上端距離為5 mm。冷整形裝配圖見圖4，冷整形時，沖頭的頭部先接觸三銷軸叉的型腔底部，實施往下運動的拉深力，同時利用已經變薄的工件部分將拉力傳入變形區。生產過程中經常出現在整形開始時三銷軸叉底部出現裂紋，見圖2。

圖3 溫鍛件Fig.3 Warm forming part

圖4 冷整形裝配圖Fig.4 Assembly of cold forming

2.2 改進后方案

改進后的溫鍛件見圖 3b，根據三銷軸叉頭部的異形結構及壁厚的不均勻性，設計了不同的入模角，入模角的起始點位于內腔的基準平面以上，內腔的基準平面至入模角的上端距離為 7.3 mm，使冷整形的變形在內腔的基準平面之上進行。

3 模擬結果分析

針對兩種不同形狀的預成形溫鍛件，用相同冷精整模具進行冷精整，冷精整成形后分別對這兩種精整件底部區域的成形力、應力、應變進行分析。改進前和改進后的行程載荷曲線分別見圖5a和5b。可以看出，改進后溫度件冷精整的載荷明顯比改進前溫度件冷精整的載荷低，這是因為冷整形開始發生的區域在碗底厚度的中間位置，沖頭往下運動時，三銷軸叉溫鍛件入模角區域完全貼牢凹模導向角區域，會產生很大的摩擦力；而改進后的溫鍛件，由于溫鍛件結構有不同的入模角，材料流動較均勻，入模角的起始點位于內腔的基準平面以上，故產生的載荷明顯要比改進前溫鍛件冷整形時的載荷要小。

等效應力（應變）代表復雜應力（應變）折合成單向應力狀態的當量應力（應變），可用其度量塑性變形過程中受力與變形的程度。溫鍛件改進前與改進后的等效應變場見圖6，溫鍛件改進前與改進后的等效力變場見圖7。可以觀察到，改進前的溫鍛件受力部分其應力場和應變場是不均勻的，主要是冷整形開始發生的區域在碗底厚度的中間位置，且溫鍛件入模角區域不完全貼牢凹模導向角區域，產生很大的摩擦力，因而此處受力最大，變形最劇烈。變形不均勻的原因一方面是溫鍛件和凹模接觸面存在極大的摩擦力，另一方面與溫鍛件本身的形狀、結構特點有關。在冷整形階段，隨著入模角的變化，變薄拉深成形力也發生變化[7]。

圖5 行程-載荷Fig.5 Stroke-load

圖6 等效應變Fig.6 Equivalent strain

圖7 等效應力Fig.7 Equivalent stress

4 工程實踐

根據以上數值模擬結果并制定改進的溫鍛件設計方案，如圖3所示。完成溫鍛件制造后，進行冷精整，為保證流線連續并避免裂紋產生，進行了低倍的金屬纖維組織[8]（亦稱金屬流線）檢驗。改進前的溫鍛件冷精整后內腔底部薄壁處的流線見圖 8a，可以觀察到，裂紋兩端金屬流線的密度不同，下端流線較稀，上端流線較密，表明上下兩端的金屬流線變形程度不同。這是因為在剛開始冷精整時，薄壁的外側受到很大的摩擦阻力，外側的金屬幾乎不流動，而內側的金屬在沖頭的作用下往下流動，當此應力大于界面結合力時，導致流線被拉斷，裂紋產生。改進后的溫鍛件冷精整后內腔底部薄壁處的流線見圖 8b，金屬流線趨向一致，密度較均勻，沒有裂紋產生。

5 結論

1）三銷軸叉精整件底部裂紋產生的原因是冷整形開始點位于碗底厚度的中間，會產生很大的摩擦力，溫鍛件用同一入模角但壁厚不一樣，導致金屬流動時變形的不均勻性加大，導致裂紋的產生。

2）數值模擬與工程實踐結果表明，冷整形開始點位于碗底厚度的上端，且采用不同的入模角，可有效降低成形力，同時可有效防止裂紋產生。

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Generation and Avoiding of Cracks on Bottom of Tulip during Cold-forming

WANG De-lin,LU You-gen,WU Bing
(Manufacturing Engineering Department, Shanghai GKN HUAYU Driveline Systems Co., Ltd., Shanghai 201315, China)

Tulip cold-forming forging part is a key component of constant velocity drive shaft of car. The process of this kind of part is combined forming with warm pre-forming and cold-forming due to the complexity of interior and exterior configuration and high dimension accuracy. There is often a crack on thin wall near bottom of interior configuration during Tulip cold-forming due to unoptimizable warm pre-forming part. The warm pre-forming part was optimized and different entering die degrees starting and ending in the interior base plate were designed by analyzing changes of forming force, stress and strain in forming of bottom of interior configuration during Tulip cold-forming with the numerical simulation technique. Engineering trial with improved pre-forming forging part has proved that the crack of bottom was avoided and the flow was continues. The improved warm pre-forming part via cold-sizing had high quality. The crack can be effectively prevented.

tulip; cold-forming; crack; pre-forming; entering die degree

2017-11-07

王德林（1978—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為溫、冷溫精密成形技術。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.024

TG316

A

1674-6457(2018)01-0177-04