等速傳動(dòng)軸固定節(jié)鍛件金屬流線控制方法及研究

文／趙政，楊金成·上海納鐵福傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司

汽車傳動(dòng)軸是車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)件，汽車運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩經(jīng)過(guò)多級(jí)變速傳遞給傳動(dòng)軸，再由傳動(dòng)軸傳遞到車輪上，推動(dòng)汽車前進(jìn)或倒行，是汽車傳遞扭矩的一個(gè)重要零件。固定節(jié)外星輪是汽車傳動(dòng)軸的主要受力部件，工作情況極其復(fù)雜，它的性能優(yōu)劣直接影響汽車傳動(dòng)的安全性和可靠性。

所謂金屬流線是指金屬的雜質(zhì)、化合物、偏析、晶界等在低倍試片上沿主伸長(zhǎng)變形方向呈纖維分布的組織，也稱為金屬纖維組織。鍛件流線分布取決于變形成形工藝及模具設(shè)計(jì)。固定節(jié)外星輪精鍛件是汽車零部件中最難以成形的部件之一，目前我國(guó)生產(chǎn)的外星輪仍然存在加工余量大且不均勻、鍛件熱成形充不滿、材料利用率低、金屬流線分布不合理等問(wèn)題。

本文提出的改變外星輪鍛件成形工步坯料頭部中心預(yù)成形孔的設(shè)計(jì)流線控制方法，使鍛件內(nèi)部的金屬流線按照鍛件基本外形及外星輪球道基本輪廓分布，金屬流線較為合理，使力學(xué)性能更佳，外星輪球道更耐磨損，提高其路試試驗(yàn)壽命，避免汽車傳動(dòng)軸產(chǎn)生異響，提高汽車NVH性能。

固定節(jié)路試壽命試驗(yàn)件檢測(cè)及金屬流線檢測(cè)

檢測(cè)評(píng)級(jí)

某型汽車等速傳動(dòng)軸固定節(jié)外星輪路試壽命試驗(yàn)失效件宏觀形貌見(jiàn)圖1，其球道磨損深度及磨損面積根據(jù)公司《球籠式萬(wàn)向節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)損害評(píng)定等級(jí)》評(píng)級(jí)為2～3級(jí)，不能滿足壽命試驗(yàn)，路試試驗(yàn)失敗。

圖1 失效件宏觀形貌

金屬流線檢測(cè)

把固定節(jié)路試壽命試驗(yàn)件縱向沿著球道割開(kāi)，然后檢測(cè)金屬流線，結(jié)果如圖2所示。球道部位流線有回流現(xiàn)象，流線分布不好，初步分析認(rèn)為流線導(dǎo)致路試壽命降低，需要改進(jìn)鍛件球道流線。

圖2 失效件金屬流線低倍組織

固定節(jié)外星輪鍛件成形及流線控制

成形工藝流程及流線控制影響因素

汽車等速傳動(dòng)軸固定節(jié)外星輪鍛件的成形工藝流程，主要包括下料、在機(jī)械壓力機(jī)上溫鍛生產(chǎn)預(yù)成形溫鍛件毛坯，在液壓機(jī)上冷精整成形獲得具有球形型腔和曲線滾珠球道的外星輪精鍛件，其球形內(nèi)表面和滾珠球道內(nèi)表面僅留約0.2mm的磨削余量。其工藝流程為：鋼材檢驗(yàn)→落料→坯料拋丸→預(yù)加熱→預(yù)涂石墨→最終加熱→溫鍛（四工步成形）→可控冷卻→鍛件拋丸→皂化→冷精整→終檢。

其中四工步溫鍛成形的溫鍛件對(duì)金屬流線分布有直接影響，從理論上講，流線應(yīng)沿鍛件基本外形分布。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于成形工藝及模具設(shè)計(jì)不合理等原因，往往導(dǎo)致模鍛變形時(shí)金屬流向不一，流量不均，流線不按理想分布。

DEFORM軟件模擬分析金屬流線形成過(guò)程

用DEFORM軟件進(jìn)行溫鍛件成形工步流線形成過(guò)程模擬分析，不同成形工藝及模具設(shè)計(jì)流線分布均不同，成形工藝及模具設(shè)計(jì)對(duì)流線分布有直接的影響。根據(jù)模擬結(jié)果選擇流線分布最優(yōu)的一種，成形工藝及流線模擬結(jié)果如圖3所示。

成形工藝及流線控制方法

根據(jù)DEFORM模擬結(jié)果選擇流線控制分布最優(yōu)的一種，其總體成形工藝及模具設(shè)計(jì)如圖4所示。

在溫鍛壓力機(jī)上采用四個(gè)工位模具型腔進(jìn)行四工步溫鍛成形，最終將外星輪溫鍛件毛坯柄部擠壓成形為精鍛件所需尺寸，第四工步溫鍛件示意圖如圖5所示。溫鍛件毛坯頭部（圖5中B部分）關(guān)鍵尺寸系數(shù)為：冷精整頭部變形開(kāi)始點(diǎn)與球面中心線夾角θ為12°～15°，頭部變形角α為12°～15°，第四工位溫鍛件體積與外星輪精鍛件體積相同，此溫鍛件可在液壓機(jī)上冷精整成形獲得具有球形型腔和曲線滾珠球道的外星輪精鍛件。θ與α角度設(shè)計(jì)直接影響冷精整沖頭壽命與精鍛件碗口充滿情況。此時(shí)，溫鍛件的金屬流線分布又直接決定了最終精鍛件的金屬流線分布。

圖3 固定節(jié)外星輪溫鍛件流線形成過(guò)程

圖4 四工步溫鍛成形工藝及模具設(shè)計(jì)示意圖

圖5 第四工步溫鍛件示意圖

圖6 第三工步溫鍛坯料示意圖

溫鍛第三工步成形坯料的成形工藝設(shè)計(jì)如圖6所示，影響金屬流線的坯料頭部關(guān)鍵設(shè)計(jì)為頭部中心成形一錐形孔，其關(guān)鍵尺寸系數(shù)為：口部大徑尺寸F1=四工位溫鍛件球形型腔球面直徑E-(5～10) mm、錐角γ1為20°～30°、錐形孔深度H1為6～12mm；此錐形孔設(shè)計(jì)使第四工位溫鍛件成形時(shí)金屬流線按照鍛件基本外形及外星輪球道基本輪廓分布；三工位毛坯體積與四工位溫鍛件體積相同。

改進(jìn)后金屬流線及壽命試驗(yàn)件檢測(cè)

改進(jìn)后金屬流線的檢測(cè)

對(duì)改進(jìn)流線后固定節(jié)外星輪沿著球道縱向割開(kāi)，然后檢測(cè)金屬流線，鍛件內(nèi)部的金屬流線按照鍛件基本外形及外星輪球道基本輪廓分布（圖7），金屬流線較為合理。

圖7 改進(jìn)后固定節(jié)外星輪金屬流線低倍組織

改進(jìn)后壽命試驗(yàn)件檢測(cè)評(píng)級(jí)

對(duì)固定節(jié)外星輪改進(jìn)流線后等速傳動(dòng)軸再次進(jìn)行壽命試驗(yàn)，固定節(jié)外星輪路試壽命試驗(yàn)失效件宏觀形貌如圖8所示。其球道磨損深度＜0.03mm，絕對(duì)偏差為0.015 mm；每個(gè)鋼球道磨損面積＜9mm2；根據(jù)公司《球籠式萬(wàn)向節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)損害評(píng)定等級(jí)》評(píng)級(jí)為6級(jí)，滿足壽命試驗(yàn)要求。

圖8 改進(jìn)流線后固定節(jié)外星輪試驗(yàn)件宏觀形貌

結(jié)論

⑴根據(jù)DEFORM模擬分析及生產(chǎn)驗(yàn)證、金屬流線檢測(cè)表明，選擇合適的外星輪鍛件成形工藝坯料頭部中心預(yù)成形孔的設(shè)計(jì)方法，能夠有效的控制其金屬流線分布，使鍛件內(nèi)部的金屬流線按照鍛件基本外形及外星輪球道基本輪廓分布，金屬流線較為合理。

⑵等速傳動(dòng)軸固定節(jié)外星輪鍛件金屬流線的分布情況，對(duì)其壽命試驗(yàn)有較大的影響；如果金屬流線較為合理，使力學(xué)性能更佳，外星輪球道更耐磨損，可提高其路試試驗(yàn)壽命；對(duì)避免汽車傳動(dòng)軸產(chǎn)生異響，提高汽車NVH性能有一定的借鑒意義。