万向节十字轴精密锻件设计实例

万向节十字轴精密锻件设计实例实例汇总

（实例提供：北京机电研究所塑性成形技术中心）

一、成形方案的确定

二、模具型腔设计准则

三、金属变形过程分析

四、工艺力计算

五、闭塞锻造十字轴工艺优化(三维数值模拟)

一、成形方案的确定

汽车万向节十字轴是典型的枝杈类锻件，如图1所示，其形状特点中心部为球台，外围均布三或四个轴颈。由于完全轴对称，分模面应选在最大投影面上。当中心球体体积相对整个零件较大时，适合于水平分模方式，这样可以利用球部作为中心孔放置较粗的坯料挤压成形，避免了挤压细长坯料受长径比的限制。对于这类十字轴采用垂直于分模面的两个冲头双向挤压要比一个冲头单向挤压合理。单向挤压将使金属流动距离增大一倍，对模具寿命不利；而且金属进入侧腔轴颈后，因不对称流动容易出现死角。综上分析，十字轴成形方案定为水平分模，两冲头双向挤压成形。

图1. 万向节十字轴精密冷锻件图返

回

二、模具型腔设计准则

闭塞锻造模具型腔的设计，除遵照锻件图的要求外，还需注意下述三个准则。

a.挤压冲头直径设计准则

由于闭塞锻造以挤压成形为主，在相同条件下，金属流动距离越短，对于成形和减少型腔磨损越有利。同时当坯料重量一定时，大直径毛坯比细长杆毛坯容易成形。因此挤压凸模直径设计原则是：在锻件形状允许范围内，挤压凸模直径尽量取大值。这既减少金属流动距离，也提高了挤压凸模强度。

十字轴挤压凸模直径选为φ17mm，同时还要考虑挤压凸模和型腔球台部分不可相切，要留有一定距离，否则相切处容易磨损出现圆角。一般留有0.5～1mm宽带。

b.金属坯料直径选取原则

由于闭塞锻造坯料重量控制较严，余料很少。坯料放入凹模孔后如有较大间隙则坯料可能偏歪，造成锻件局部缺料而充不满。这就对坯料直径有一定要求，其选取原则是：在放入模孔顺利的前提下，其放料间隙尽可能小，即坯料直径尽量接近挤压凸模直径。

在实际应用中，放料间隙单边在0.25mm时，经润滑后的坯料即可顺利放入凹模孔。考虑到原始棒料直径规格可能不尽合适，故可适当放宽放料间隙，但最大不宜超过单边0.5mm。由此可给出

所需坯料直径计算

式：

式中常量尽量选取接近0.5mm的数值。

c.分流仓设置准则

由于坯料存在下料重量误差，为保证充满，下料时必须控制重量下限，而让多余的材料（一般不超过坯料重量的0.5%）进入分流仓。分流仓的位置必须满足下述条件：分流仓位置必须设置在模腔最后充满处，而且是后续机加工时可以去除或不去除但不影响使用的位置。

如果不是这样，前者分流仓先被充填，则锻件最后充满处将“缺肉”；后者分流余料留在锻件上

不合乎要求。十字轴挤压成形最后充满处是轴颈端部，余料仓设在此处,在后续机加工时去除，如图2所示。

图2. 十字轴锻件余料仓设置

由于有些锻造设备一般没有上顶出，只有下顶料机构，因此对于上下对称的锻件要保证留在下模内，就必须增大锻件和下凹模的摩擦力，为此在十字轴中间球台外围上保留一小段长1-2mm 的直径，使其加工在下凹模型腔上，这样锻件就能可靠留在下模内，由下顶出机构顺利顶出模腔。如果设备有上顶料机构，则上下模腔完全对称。

返回

三、金属变形过程分析

十字轴的变形可分四个阶段:

第一阶段：镦粗变形。坯料在双冲头对向挤压下首先镦粗，且充填型腔中部球体部位，直到接触到四个水平轴颈腔口为止。这个阶段属镦粗变形，挤压抗力不大。

第二阶段：径向挤压。随着冲头继续挤压，坯料金属大量流入轴颈腔内，直至金属前端碰到端部模壁为止。此阶段轴颈腔尚未完全充满，但挤压抗力显著增大。

第三阶段：水平镦挤。当金属碰到端部模壁后，冲头继续将球体部金属挤入轴颈，这样就形成了类似在水平方向的镦粗过程，直至轴颈被基本充满。此时挤压凸模行程已接近终点，锻件除轴颈端未充满外，其余部位均已充满。

第四阶段：充满分流。此时挤压凸模行程终了，金属充满轴颈棱角并排出多余金属进入分流仓，从而获得完全充满的锻件。

图3. 三维数值模拟十字轴成形过程

图4. 双向闭式模锻十字轴成形过程

图3、图4所示为三维数值模拟十字轴成形过程和双向闭式模锻十字轴实际成形过程。与前述四个阶段完全吻合。

返回

四、工艺力计算

在闭式精锻工艺中，其主要工艺参数为：上、下凹模之间在锻件挤压变形时产生的分模力（由此确定外界需提供的闭模力）和挤压凸模对坯料的挤压力，我们对万向节十字轴进行了挤压力和分模力计算，挤压力计算公式为：

经计算，十字轴在室温挤压成形时，其挤压力为：P挤=43.2（吨）

图5 所示为三维数值模拟所得十字轴双向闭塞锻造成形P-S曲线，从中可看出其最大挤压力为42.5吨。理论计算挤压力最大值与采用数值模拟所得最大挤压力相当接近。

图5.三维数值模拟所得十字轴双向闭塞锻造成形P-S曲线

分模力计算公式：

通过计算，万向节十字轴在室温下挤压成形时，最大分模力（即挤压终了阶段）Q分=94.4吨。

显然，分模力Q分的确定是模具设计所需的关键参数，也即模架装置中液压系统提供的闭模力Q闭，应能满足Q闭Q分的条件。同时，选择成形设备吨位时，设备的公称压力应大于P 挤+P分之和。

图6. 单向闭塞挤压十字轴金属流动过程

返回

五、闭塞锻造十字轴工艺优化(三维数值模拟)

前述工艺方案确定了采用水平分模的方式闭塞挤压成形十字轴锻件。从成形原理来看，既可采用单向闭塞挤压成形，也可采用双向闭塞挤压成形。究竟采用那种方案最有利于成形，我们通过三维数值模拟软件DEFORM（3D）对金属坯料在变形过程中的流动情况进行分析，以确定最佳

方案。

图6所示为单向冷闭塞挤压成形十字轴锻件其金属坯料在模腔内的流动过程。从图中可看出，在侧向挤压轴颈的过程中，以分模面为界，离挤压凸模越远的模腔金属流动较快，离挤压凸模越近的模腔，其金属流动最慢。这是由挤压凸模的运动方向和金属流动机理所决定的。所以单向挤压象十字轴这样以分模面完全对称的锻件，其金属在模腔内流动很不均匀，同时由于是单向挤压，金属从挤压筒向模腔流动的行程加大，增大了金属的变形程度，使其变形抗力增大，从而加速了模具的磨损，降低了模具的使用寿命。图7所示为单向挤压十字轴时的P-S曲线。从图中可看出最大挤压力51.6吨，大于双向挤压时的最大挤压力。

如果采用双向等速挤压金属坯料成形十字轴锻件，其金属在模腔内流动的情况就大不一样了。图8所示为双向等速闭塞挤压十字轴锻件其金属在模腔内的流动过程。从图中可知，在挤压轴颈时，金属向侧腔流动很均匀，其前端近似圆弧，是理想的流动状态，而且由于是双向挤压金属坯料，金属是从两个挤压筒里向模腔流动，缩短了金属的流动行程，减少了变形程度，从而变形抗