梅花聯軸器的溫鍛成形與分析

馮飛

摘要：以一種更具效率的方式加工聯軸器，本文所提及的聯軸器是一種應用很普遍的梅花聯軸器，也叫爪式聯軸器，其外形結構比較簡單，其端面上有四個凸臺。本文制定了梅花聯軸器的鍛造成形的工藝方案，并采用剛塑性有限元法對其成形過程進行模擬，同時在此基礎上對工藝方案進行優化，以期許一種高效、節約的毛坯形式能替代傳統毛坯結構。

關鍵詞：梅花聯軸器；有限元模擬；溫鍛成形

梅花聯軸器是機械產品軸系傳動中最常用的連接部件HYPERLINK"http：//www.so.com/s？q=%E9%83%A8%E4%BB%B6&ie=utf8&src=internal_wenda_recommend_textn"＼t"_blank"，它具有結構簡單、無需潤滑、方便維修、便于檢查、免維護，可連續長期運行，工作穩定可靠，具有良好的減振、緩沖作用，并且具有較大的軸向、徑向和角向補償能力。結構簡單，徑向尺寸小，重量輕，轉動慣量小，適用于中高速場合。一般動力機大都借助于聯軸器與工作機相聯接，廣泛應用于數控車床、加工中心、雕刻機、數控銑床、冶金機械、礦山機械、石油機械、化工機械、起重機械、運輸機械、輕工機械、紡織機械、水泵、風機、空壓機等領域，有著非常廣闊的市場空間。聯軸器由兩個金屬爪盤和一個彈性體組成，兩個金屬爪盤分別與主動軸和從動軸聯接，聯軸器中間靠彈性體連接。

1 工藝方案制定

梅花聯軸器的傳統加工工藝是經過車削、銑削和拉削等機加工方法之后再經過整體熱處理而成，這種加工工藝存在著很大的材料損耗而且加工周期比較長，因此只適合小批量生產。目前市場上還有一種聯軸器的加工工藝是鑄造而成，雖然這種加工方法能夠適應大批量生產，并且能夠節省加工時的材料損耗，所以鑄件聯軸器在產品價格上會比機加工的聯軸器少很多，但是鑄鐵件也有其缺點，在轉速比較高的場合或者載荷比較高的情況下運轉會發生打爪（齒爪脫落）現象，因此在一些要求比較高的重要場合最好還是不要使用鑄件，而鍛造則是既保留了鋼件的強度與韌性也降低了機加工的加工余量。金屬材料經過鍛造加工后能改善其組織結構HYPERLINK"https：//baike.so.com/doc/429635454984.html"＼t"_blank"和力學性能。經過鍛造方法熱加工變形后由于金屬的變形和再結晶，使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變為晶粒較細、大小均勻的等軸再結晶組織，使金屬材料中原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等壓實和焊合，使其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學性能。此外鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致，金屬流線完整，可保證零件具有良好的力學性能與較長的使用壽命，這都是鑄件所無法比擬的。

由于聯軸器的齒爪部分是由鍛造直接成形，并且齒爪部分與聯軸器柄部也幾乎不再進行機加工，所以對齒爪部分與柄部的同軸度要求比較高，因此采取溫鍛方案。為了避免工件由棒料直接反擠到尺寸產生折疊等缺陷，因此采取兩道工序，棒料經鐓粗后反擠成形，所以聯軸器的工藝路線是：下料、拋丸、涂層、加熱、鐓粗、反擠、取長。

由于設備由靜止狀態啟動時會產生較大的扭矩或者是高速以及過載荷的情況下產生齒爪崩斷飛出現象，這種狀況會嚴重威脅設備以及操作者的人生安全，所以對從動聯軸器的形狀進行調整，如下圖所示，即使聯軸器的齒爪被崩斷了也只是包裹在從動聯軸器里不會飛出來，從而達到保護的目的。其工藝路線與上述聯軸器的工藝路線相同。

2 有限元模擬分析

該工件的關鍵工序是端面上的四個凸臺需要同時成形。棒料經鐓粗成形，為反擠這一關鍵工序提供鍛前坯料，為了深入了解反擠工序變形過程中反擠沖頭受力情況、金屬流動方向及反擠過程中是否會出現缺陷等問題，采用有限元分析軟件Deform3D將該變形的過程參數化模擬，選取近似材質ANSI1055，塑性體工件坯料溫度設置700℃，環境溫度700℃，工件的成形過程中忽略溫升效應，將模具定義為剛性，坯料與模具的接觸摩擦因子為0.25，設置主模具的形成為11mm，并將原始工件分割為5000個四面體有限單元進行分析。

由下圖所示，沖頭在接觸工件開始擠壓時受力最大，達到2500kN并趨于穩定至終了位置，除去四個凸臺的端面截面積為4316.249 mm2，單位面積受力約580N/mm2。由于關鍵工序中，凸臺經過反擠向上流動時由于金屬流動所產生的表面缺陷比較嚴重，因此調整模具結構，當壓力設備開始擠壓時，四個凸臺經過正擠壓向下流動，由于該結構需要將聯軸器的柄部包裹在沖頭中，這就導致沖頭的壁厚比較薄，所以沖頭材料選用65Nb，沖頭調質硬度5860HRC，該材質與高速鋼的淬火組織中的化學成分相同，但其不含有大量的未溶碳化物，所以韌性及疲勞強度都比高速鋼高，并且該材料的回火溫度在520℃以上，回火溫度高，具有一定的紅硬性，適合該產品沖頭壁薄易溫升的特性。

3 結語

針對有限元分析結果，在確定過程中各處飽滿以及沒有折疊等缺陷產生的情況下，調整設備行程控制凸臺的高度。針對退料力過大導致退料器斷裂現象，將退料器由正常的細長圓桿調整為與凸臺形狀相仿的仿行退料器，大大的提高了退料器的強度，產品端面相對比較平整。通過實際試制，達到預期效果，能夠滿足批量生產要求。

參考文獻：

[1][JP2]吳詩.冷溫擠壓技術[M].北京：機械工業出版社，1995.[JP]