王濤，劉丹，劉百宣，孫紅星,3，劉華

擺線液壓馬達(dá)內(nèi)花鍵輸出軸冷鍛成形工藝與模具研究

王濤1,2，劉丹1，劉百宣1，孫紅星1,3，劉華1

（1.鄭州機(jī)械研究所有限公司，鄭州 450001；2.中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044；3.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049）

為了提高擺線液壓馬達(dá)內(nèi)花鍵輸出軸零件的加工效率及材料利用率、降低生產(chǎn)成本，提出一種冷精密成形的工藝與模具。首先分析了擺線液壓馬達(dá)內(nèi)花鍵輸出軸的形狀特點(diǎn)，初步制定了三工序冷擠壓成形工藝：正擠細(xì)桿—反擠深孔—反擠花鍵孔，并通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)該成形工藝進(jìn)行分析驗(yàn)證。在工藝實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用線切割方法加工的第3序通體花鍵形狀沖頭，在與沖頭套下端面交界處極易發(fā)生斷裂。因此對(duì)花鍵沖頭的結(jié)構(gòu)和加工方法進(jìn)行了調(diào)整，將沖頭整體設(shè)計(jì)為圓柱臺(tái)階狀，頭部采用電火花加工方法加工一段花鍵形狀，花鍵與圓柱部分采用錐角過(guò)渡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鍛件成形工藝穩(wěn)定，成形鍛件精度較高，改進(jìn)后的沖頭壽命較高。內(nèi)花鍵輸出軸成形工藝可行，改進(jìn)的沖頭結(jié)構(gòu)降低了沖頭產(chǎn)生應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)，提高了抵御偏載力的能力，成形工藝與模具滿足了批量生產(chǎn)的考核。

輸出軸；內(nèi)花鍵；冷擠壓；沖頭；斷裂

擺線液壓馬達(dá)具有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速范圍廣、可無(wú)級(jí)調(diào)速、安裝布置方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小等特點(diǎn)，廣泛用于農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、輕工業(yè)、起重運(yùn)輸、礦山、工程機(jī)械等多種機(jī)械中，市場(chǎng)需求量極大。文中研究的內(nèi)花鍵輸出軸為擺線液壓馬達(dá)中的核心部件，如圖1所示，起到傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速輸出的作用，該零部件對(duì)精度要求和力學(xué)性能要求較高。該內(nèi)花鍵輸出軸零件特點(diǎn)為上粗下細(xì)，截面變化加大，大端面帶深孔且底部需要加工內(nèi)花鍵。此類內(nèi)花鍵輸出軸零件傳統(tǒng)的加工方法有2種[1]：一種是通過(guò)車削方法將圓棒料外圓尺寸加工完成，在粗外圓一端端面鉆出深孔，深孔下端面再鉆出底孔后采用插齒方法加工內(nèi)花鍵，該方法加工效率低，尤其是插齒工序用時(shí)長(zhǎng)費(fèi)用高，且浪費(fèi)金屬材料；另一種是分體加工后焊接為一體的方法，用棒料將內(nèi)花鍵下端面以下部分通過(guò)車削方法加工成形，另一端通過(guò)拉削工藝加工為花鍵通孔管料，將一端花鍵孔鏜削為圓孔，加工后的2個(gè)部分通過(guò)焊接工藝連接起來(lái)，形成整體的內(nèi)花鍵輸出軸，該方法加工零件焊接部分連接強(qiáng)度難以保證，材料利用率和加工效率都很低。

冷擠壓精密成形工藝技術(shù)具有成形精度高、節(jié)能節(jié)材、生產(chǎn)高效等特點(diǎn)，且成形零件內(nèi)部可形成連續(xù)分布的金屬流線，有利于提高零件的力學(xué)性能。為了提高內(nèi)花鍵輸出軸加工的材料利用率和加工效率，控制加工成本，提高零件性能，文中探討采用冷擠壓精密成形技術(shù)成形該鍛件，冷擠壓成形可直接成形內(nèi)花鍵，成形后的內(nèi)花鍵無(wú)需后續(xù)加工可以直接使用。

1 成形工藝分析

擺線液壓馬達(dá)內(nèi)花鍵輸出軸鍛件為變截面軸類零件，整體為上粗下細(xì)，大端面一側(cè)有深孔，且深孔底部分布有花鍵沉孔?；ㄦI參數(shù)為：徑節(jié)12/24、壓力角30°、齒數(shù)12、配合等級(jí)5級(jí)，配合類型為齒側(cè)配合，花鍵形狀如圖2所示。為保證花鍵精度擬采用冷鍛成形工藝成形該鍛件，鍛件細(xì)桿部位可通過(guò)棒料正擠壓成形，大端部圓形深孔和花鍵孔可以通過(guò)分步反擠壓成形得到，花鍵沉孔成形后不需加工，通過(guò)模具精度和結(jié)構(gòu)保證其形狀精度與位置精度。

根據(jù)以上分析并參照相關(guān)文獻(xiàn)[2-6]，初步擬定了成形工藝，工藝簡(jiǎn)圖如圖3所示。成形工藝分為3個(gè)工序：（1）第1工序，退火坯料經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑后，正擠壓成形鍛件細(xì)桿部分，同時(shí)在鍛件大端端面部位擠一個(gè)圓形淺孔，可以為后續(xù)成形存儲(chǔ)更多潤(rùn)滑劑；（2）第2工序，第1工序所得坯料經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑后，反擠壓成形圓形深孔；（3）第3工序，第2工序所得坯料經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑后，反擠成形花鍵孔。該工藝的難點(diǎn)在于第3工序冷擠花鍵孔時(shí)，第2工序造成的沉孔底部加工硬化會(huì)導(dǎo)致花鍵沖頭成形力增大，同時(shí)反擠花鍵沖頭較長(zhǎng)，導(dǎo)致穩(wěn)定性較差，都會(huì)對(duì)花鍵沖頭壽命產(chǎn)生重要影響[7]。

圖1 內(nèi)花鍵輸出軸

圖2 內(nèi)花鍵孔形狀

圖3 內(nèi)花鍵輸出軸冷精密成形工藝

2 成形工藝數(shù)值模擬

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)鍛件圖確定坯料的尺寸，在三維軟件中建模并導(dǎo)入DEFORM模擬軟件，3個(gè)工序模擬使用一個(gè)凹模結(jié)構(gòu)，通過(guò)更換3個(gè)工序的沖頭實(shí)現(xiàn)3個(gè)工序的擠壓。結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[8-10]，確立數(shù)值模擬邊界條件如下：坯料網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格單元法，劃分網(wǎng)格數(shù)量為150 000，坯料溫度為20 ℃，坯料與模具的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.12，沖頭擠壓速度為15 mm/s。

在DEFORM?3D后處理中觀察鍛件成形過(guò)程如下。

1）第1序成形過(guò)程及沖頭受力情況如圖4所示。1序擠壓沖頭接觸坯料后在接觸面形成淺坑，同時(shí)下端坯料在凹模錐角處逐漸減徑變形，隨著沖頭向下擠壓，坯料上端面淺坑完全成形，細(xì)桿部分逐漸從模具錐角下端的正擠減徑帶擠出，沖頭持續(xù)下壓直至細(xì)桿部位成形到要求尺寸。第1序沖頭受力的時(shí)間?載荷曲線顯示，擠壓開始后沖頭受力逐漸增大，當(dāng)細(xì)桿桿部正擠成形開始后，沖頭受力較為穩(wěn)定，沖頭正擠受力最大為2 460 kN，此時(shí)沖頭單位面積受力為1 547 MPa。

圖4 第1工序成形沖頭受力時(shí)間–載荷曲線

2）第2序成形過(guò)程及沖頭受力情況如圖5所示。2序擠壓沖頭下端帶有成形韌帶，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。當(dāng)沖頭接觸到坯料上端面的淺坑底面后，擠壓力迅速上升，當(dāng)壓力達(dá)到約1 750 kN時(shí)反擠成形開始，隨著沖頭的下壓，深孔逐漸成形，沖頭單位面積受力約為2 784 MPa。

3）第3序成形過(guò)程及沖頭受力情況如圖6所示。3序擠壓沖頭為整體花鍵形狀，頭部帶有反擠壓韌帶。當(dāng)沖頭接觸到深孔底面后，擠壓力迅速上升，當(dāng)壓力達(dá)到約1 660 kN時(shí)花鍵孔反擠成形開始，隨著沖頭的擠壓，花鍵沉孔逐漸成形，沖頭單位面積受力約為3 074 MPa。

圖5 第2工序成形沖頭受力時(shí)間–載荷曲線

圖6 第3工序成形沖頭受力時(shí)間?載荷曲線

沖頭形狀為復(fù)雜的花鍵形狀，受力較為復(fù)雜，為了確保沖頭滿足成形需要，對(duì)花鍵沖頭進(jìn)行了強(qiáng)度模擬計(jì)算，將擠壓成形力反向施加到花鍵沖頭上，其沖頭受力結(jié)果如圖7所示。等效應(yīng)力最大位置位于沖頭下端部韌帶腐蝕區(qū)與上部花鍵桿部交界位置，等效應(yīng)力達(dá)到了3 100 MPa，一般模具材料的抗彎強(qiáng)度為250～3 500 MPa，花鍵沖頭的最大局部等效應(yīng)力未超出材料的抗彎強(qiáng)度，該沖頭滿足使用要求。

圖7 第3工序成形沖頭的等效應(yīng)力

3 工藝實(shí)驗(yàn)

對(duì)擺線液壓馬達(dá)內(nèi)花鍵輸出軸初步擬定的成形工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果表明成形工藝可行，為了進(jìn)一步驗(yàn)證工藝的可行性進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)。第3序冷擠工序都在315 t壓機(jī)上完成，鍛坯為45 mm的20CrMnTi圓鋼，經(jīng)過(guò)完全退火軟化，退火硬度為135～145HB，退火后拋丸去除表面氧化皮，使用高分子潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑鍛坯[11-12]。第1序擠壓成形力較大，成形凹模采用3層預(yù)應(yīng)力圈結(jié)構(gòu)形式[13]，凹模模芯選用模具鋼LD，熱處理硬度為60～62HRC，減徑部位加工有寬為2.5 mm的韌帶，中圈材料選用H13鋼，熱處理硬度為45～48HRC，外圈材料選用40Cr鋼，熱處理硬度為38～42HRC，成形沖頭使用模具鋼LD，熱處理硬度為61～63HRC。第2序和第3序凹模受力較小，采用2層預(yù)應(yīng)力圈結(jié)構(gòu)形式，凹模模芯選用模具鋼LD，熱處理硬度為60～62HRC，外圈材料選用40Cr鋼，熱處理硬度為38～42HRC，成形沖頭單位面積受力較大，所以使用了高速鋼W6Mo5Cr4V2，熱處理硬度為61～63HRC，該材料經(jīng)過(guò)熱處理后抗彎強(qiáng)度在3 500 MPa以上，足以滿足模擬計(jì)算要求，沖頭擠壓頭部都設(shè)置有韌帶結(jié)構(gòu)。第3序花鍵沖頭精度要求較高，采用了慢走絲線切割方法加工，花鍵尾部磨削一定錐度，壓入沖頭套中使用。

內(nèi)花鍵輸出軸各工序成形坯料如圖8所示，可以看出成形過(guò)程與數(shù)值模擬基本一致，第1序成形力為2 400 kN，第2序成形力為1 680 kN，第3序成形力為1 590 kN，實(shí)際成形力也與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。成形鍛件填充非常充分，成形后的內(nèi)花鍵沉孔通過(guò)了通規(guī)、止規(guī)等量具檢驗(yàn)，鍛件的形狀尺寸滿足圖紙要求。

圖8 各工序成形鍛件

在小批量試生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，第3序花鍵沖頭壽命極低，花鍵沖頭經(jīng)常在位于沖頭套下端面的位置發(fā)生斷裂，如圖9所示，斷裂位置非常集中。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，花鍵沖頭為整體花鍵形狀，沖頭形狀較為復(fù)雜，相較于形狀簡(jiǎn)單的沖頭更容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，尤其在花鍵沖頭伸出沖頭套下端面的位置，沖頭花鍵的齒頂與沖頭套內(nèi)孔口部尖角接觸，使應(yīng)力集中點(diǎn)更為容易產(chǎn)生。由于第3序成形沖頭較長(zhǎng)，沖頭易因偏載問(wèn)題發(fā)生斷裂，沖頭磨削錐角磨偏、坯料潤(rùn)滑不均勻、壓機(jī)震動(dòng)等因素都可能造成偏載現(xiàn)象。此外，在第3序成形時(shí)，坯料經(jīng)過(guò)2次冷變形發(fā)生了加工硬化現(xiàn)象，尤其是在第3序的成形位置，即圓形沉孔底部位置處，加工硬化嚴(yán)重，圖10為實(shí)際取樣測(cè)量結(jié)果，加工硬化導(dǎo)致了沖頭單位面積受力較大。

圖9 第3工序斷裂沖頭

圖10 花鍵成形位置硬度檢測(cè)

綜上所述，工藝實(shí)驗(yàn)證明內(nèi)花鍵輸出軸的擬定成形工藝可行，成形鍛件滿足使用要求，但第3序所采用的通體花鍵形狀沖頭使用壽命非常低，需要對(duì)第3序的成形沖頭進(jìn)行改進(jìn)，以滿足輸出軸批量生產(chǎn)的目的。

4 成形模具改進(jìn)

為了解決第3序花鍵沖頭壽命低的問(wèn)題，通過(guò)上述分析，認(rèn)為需要降低花鍵沖頭與沖頭套結(jié)合處應(yīng)力集中的概率。重新設(shè)計(jì)了花鍵反擠沖頭結(jié)構(gòu)[14-16]，將沖頭頭部設(shè)計(jì)為花鍵形狀，后部為階梯形圓柱狀，沖頭花鍵部分長(zhǎng)度比花鍵孔深長(zhǎng)8 mm，花鍵部分與后部圓柱部分通過(guò)錐角過(guò)渡。該結(jié)構(gòu)沖頭的花鍵部分若先進(jìn)行銑削加工后進(jìn)行熱處理，則熱處理變形會(huì)導(dǎo)致花鍵精度無(wú)法保證；若采用先熱處理后硬銑削的方法加工，由于熱處理后沖頭材料硬度高，花鍵尺寸較為精細(xì)，需要硬度非常高的細(xì)小銑刀，其加工費(fèi)用非常高。為了降低成本，該沖頭的花鍵部分可以通過(guò)電火花加工實(shí)現(xiàn)，后續(xù)通過(guò)化學(xué)腐蝕方法加工韌帶，改進(jìn)后的花鍵沖頭如圖11所示。該沖頭結(jié)構(gòu)使沖頭的圓柱部分與沖頭套孔口接觸，有效降低了應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)的概率，提高了沖頭的抗偏載能力，而且該沖頭尾部也不需要磨削錐角，降低了加工誤差帶來(lái)的沖頭偏載風(fēng)險(xiǎn)。使用改進(jìn)后的沖頭進(jìn)行批量生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，沖頭壽命達(dá)到了一萬(wàn)件以上，最終的失效形式為磨損，沖頭磨損導(dǎo)致花鍵尺寸超差，該沖頭結(jié)構(gòu)可以滿足批量生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)論

分析了擺線液壓馬達(dá)內(nèi)花鍵輸出軸的形狀特點(diǎn)，初步制定了冷擠壓成形工藝，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬、實(shí)物實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了成形工藝的可行性。在工藝實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用線切割方法加工的第3序通體花鍵形狀沖頭使用壽命極低，為了滿足鍛件大規(guī)模生產(chǎn)的需要，對(duì)花鍵沖頭的結(jié)構(gòu)和加工方法進(jìn)行調(diào)整，沖頭整體設(shè)計(jì)為圓柱臺(tái)階狀，頭部采用電火花加工方法加工一段花鍵形狀，花鍵與圓柱部分采用錐角過(guò)渡。該沖頭結(jié)構(gòu)降低了沖頭套下端面與沖頭交界處應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)，提高了抵御偏載力的能力，改進(jìn)后的第3序花鍵沖頭通過(guò)了批量生產(chǎn)的考核。通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確立了穩(wěn)定的成形工藝和可靠性較高的模具結(jié)構(gòu)，鍛件精度高，成形工藝和模具壽命通過(guò)了批量生產(chǎn)考核。

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Cold Forming Process and Die for Internal Spline Output Shaft in Cycloid Hydraulic Motor

WANG Tao1,2, LIU Dan1, LIU Bai-xuan1, SUN Hong-xing1,3, LIU Hua1

(1. Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China; 2. China Academy of Machinery Science and Technology Group Co., Ltd., Beijing 100044, China; 3. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

In order to improve the processing efficiency of the internal spline output shaft in cycloid hydraulic motor, increase the utilization rate of materials and reduce the production cost, cold precision forming process and die are proposed. First,the shape characteristics of the internal spline output shaft in cycloid hydraulic motor were analyzed, a three-step cold extrusion process was preliminarily formulated: direct extrusion of thin rods, indirect extrusion of deep holes, indirect extrusion of spline holes. The feasibility of the forming process was verified by numerical simulation and real experiment analysis. In the process experiment, it was found that the third-step spline shaped punch machined by the wire cutting method was prone to fracture at the lower end face of the punch sleeve. Therefore, the structure and machining method of the spline punch was adjusted. The overall punch was designed as a stepped cylindrical shape, its head was machined by the EDM method as a spline shape, and the spline and cylindrical part adopted taper angle transition. The experimental results show that the forging process is stable, the forging precision is high and the life of the improved punch is long. The forming process of the inner spline output shaft is feasible, the improved punch structure reduces the risk of stress concentration and enhances the ability to resist the unbalanced load. And the forming process and mold life have passed the mass production assessment.

output shaft; internal spline; cold extrusion; punch; fracture

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.007

TG316

A

1674-6457(2022)05-0042-06

2021–07–06

院所雙創(chuàng)基金（152PZDZX007）

王濤（1986—），男，博士生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦咝阅苠懠匦慰匦跃艹尚喂に嚰皩Ｓ迷O(shè)備研發(fā)。

責(zé)任編輯：蔣紅晨