阮宗龙，郑英俊
(1.广东思豪内高压科技有限公司，广东佛山528200；2.太仓久信精密模具股份有限公司，江苏太仓215400)
摘要：传动轴滑动叉采用普通模锻工艺生产时，材料利用率低、工艺复杂，结合具体滑动叉的形状结构特点，提出采用内高压胀形工艺成形此类锻件的方法，得到了滑动叉的内高压工艺制作流程。首先进行工艺分析计算，根据计算结果，设计和制造了内高压模具，采用自制内高压水胀液压机进行了试验验证。结果表明，采用两次内高压胀形，可以得到滑动叉锻件，并能大大提高材料利用率和锻件质量。通过优化内高压胀形的胀形次数、下料尺寸、胀形比以及封水工艺余量等工艺参数，滑动叉成形件表面质量良好，满足使用要求，具有较高的可行性。该方法材料使用率高、成本低，符合现在提倡的环保节能需求，具有广阔的市场前景。
关键词：滑动叉；内高压胀形；胀形比；封水余量；下料尺寸
Process analysis and practice on internal high pressure bulging of
slide fork for transmission shaft
Ruan Zonglong, Zheng yingjun
(1. Guangdong Sihao Hydroforming Technology Co, Ltd. Foshan 528200, China;
2. Taicang Jiuxin Precision Tooling Corp, Taicang 215400, China)
Abstract: The traditional die forging process of slide fork for transmission shaft has some disadvantages, such as low material utilization rate and complex process. Based on analyzing the structure features of slide fork, the internal high pressure bulging was presented, and the internal high pressure bulging process of slide fork was obtained. First, the process analysis and calculation were conducted, and thenthe internal high pressure die was designed and manufactured according to the calculation results. Furthermore, the experimental verifica tion was carried out by the self-made internal high pressure hydraulic press. The results show that the slide fork forging can be obtained by internal high pressure bulging for twice, and the material utilization and quality of forgings can be greatly improved. By optimizing the in ternal high pressure bulging process parameters of bulging times, blanking size, bulging ratio and sealing water allowance, the surface quality of slide fork is good, which meets the requirements of application and has better feasibility. With high utilization rate of material and lower cost, this method is more in line with the needs of environmental protection and energy saving and has a broad market prospect Key words: slide fork; internal high pressure bulging; bulging ratio; sealing water allowance; blanking size
传动轴滑动叉（图1)是传动系统中的关键零部件，处于传动轴的端部，起传递扭矩的作用。由叉形头部和空心杆部组成，属于典型的复杂叉形件两个叉头部位上有两个孔，用以安装滚针轴承并与十字轴相连，零件上的花键孔与传动轴端部的花键轴相配合，用于传递动力。
目前，国内应用于滑动叉锻件成形的工艺方案主要有开式模锻、胎模锻及多工序热挤压等【1-5】。
开式模锻飞边消耗很大，金属利用率低，其制坯工序复杂，导致生产效率低，其模锻工序一般为压扁制坯、预锻劈叉、终锻成形，然后切边。采用胎模锻工艺生产时，其典型的工艺流程是一火劈叉，二火打平、弯U形、整形，三火成形，然后切边，坯料氧化烧损量大，次废品率高。多工序热挤压可以锻造出空心杆部，无飞边金属损耗，可以大幅度提高材料利用率，但能耗高、表面质量粗糙。对于叉头宽度不超过45mm的小规格滑动叉，国外有采用卧式冷镦机进行多工步成形，但模具寿命成为制约其大批量、高效率生产的关键因素。
针对该类零件传统加工工艺的不足，本文提出了一种新型的工艺方法。如图2所示，采用管料为初始坯料，经过两工位内高压胀形，再将其切断一分为二，后续采用缩径、冲切及钻孔工序完成该零件的加工。其关键工序为内高压胀形工序，本文对该工序进行了分析计算【6-8】，并进行了试验验证。
内高压成形广泛应用于航空、汽车等领域其原理是通过内部加压和轴向加力补料将管坯压入到模具型腔使其成形【9-12】。基本工艺过程为首先将管坯放入下模，闭合上模，然后在管坯内充满液体并开始加压，在加压的同时，管端的冲头按与内压一定的匹配关系向内送料，使管坯成形；对于轴线为曲线的构件，需要将管坯预弯成接近零件形状，然后加压成形。相比传统的成形方法，其主要优点为能够减轻质量、节约材料降低模具费用、提高强度与刚度以及降低生产成本等。根据模具的分模方式和工件的形状，内高压成形可分为水平分模和垂直分模【9-12】。本文采用水平分模形式。
1 胀形工艺分析及计算
1.1确定产品的胀形次数
该零件杆部尺寸较长，但由于杆部尺寸对胀形工艺参数并无较大影响，因此，本文将杆部尺寸简化缩短，如图3所示。产品材料为20低碳钢，理论重量为G0=0.38kg。
(1)根据产品尺寸图，可初定产品的下料材料为外径D0=30mm、壁厚δ0=3.5mm的钢管
(2)根据产品重量相等原理，下料材料的长度初定为：L0=C0/(7.85A)=166mm，其中A为管件材料横截面面积。
(3)根据产品成形后的最大周长C1为中心横截面外轮廓，即C1=118.23mm，其相对应的圆的直径为D1=C1/丌=37.65mm，故可算得其平均变形比为：q00=(D1/D0-1)×100% =25.5%
(4)根据产品变形后的最大直径为D2=41.4mm，故可算得其最大变形比为：q01=(D2/D0-1)×100%=38%
(5)根据产品变形后的最小直径为D3= 32.5mm，故可算得其最小变形比为：q02=(D3/D0-1)×100%=8%。
经查表，20钢的伸长率δ5≥24%[11],故此产品需要两次内高压水胀成形。
1.2 确定产品每次胀形后的最大中心横截面外轮廓尺寸及其胀形比
1.2.1 第1次内高压胀形后的胀形比计算
如图4所示，第1次胀形后最大周长C11为中心横截面外轮廓，即C11=104.64mm，其相对应的圆的直径为D11=C11/丌=33.32mm，故可算得其平均变形比为：q10=(D11/D0-1)×100%=11%；根据产品第1次胀形后的最大直径为D12=36mm，可算得其最大变形比为：q11=(D12/D0-1)×100%= 20%；根据产品第1次胀形后的最小直径为D13= 30.5mm，可算得其最小变形比为：q12=(D13/D0-1)×100%=1.7%，故第1次内高压胀形符合20钢材料的伸长率（δ5≥24%）的要求。
1.2.2 第2次内高压胀形后的胀形比计算
如图4所示，第2次胀形后最大周长C21为中心横截面外轮郭，即C21=C1=118.23mm，其相对应的圆的直径为D21=C21/丌=37.65mm，故可算得其平均变形比为：q20=(D21/D11-1)×100%=13%；根据产品第2次胀形后的最大直径为D22=D2= 41.4mm，其对应的第1次胀形位直径为D14= 35.1mm，可算得其最大变形比为：q21=(D22/D14 -1)×100%=18%；根据产品第2次胀形后的最小直径为D23=D3=32.5mm，其对应的第1次胀形位直径为D13=30.5mm，可算得其最小变形比为q22=(D23/D13-1)×100%=6.5%，故第2次内高压胀形符合20钢材料的伸长率(δ5≥24%）的要求。
1.3 确定产品的下料尺寸
1.3.1 计算产品的实际重量
因为产品成形后变薄量没有要求，故在不用堆积补料工艺的情况下，在第2次胀形后最大周长中心横截面外轮廓处，产品最簿的理论厚度为：δ1=δ0-qmax=3.12mm（其中qmax为最大变薄量），产品最厚的理论厚度为：δ2=δ0-qmin=3.41mm（其中qmin为最小变薄量），产品的平均理论厚度为 δ3=δ0-q00=3.245mm。根据等长的实际产品的重量要除去原材料经内高压水胀成形后的变薄量G△即实际产品的重量G1约为：G1=G0-G△=0.36kg。
1.3.2确定产品的内高压水胀封水工艺余量
因为产品两端没有精度公差要求，故不需要预留内高压水胀封水工艺余量，可直接将原有成品的两端当作内高压水胀封水位。故产品的实际下料尺寸为：钢管外径D0=30mm，钢管壁厚δ0=3.5mm，钢管长度L1=G1/(7.85A)=157.5mm。
1.4 确认产品的下料尺寸图和第1次内高压水胀成形图
1.4.1 产品的下料尺寸图
因为内高压水胀密封技术工艺的要求，下料尺寸也必须有一定的公差要求，如图5所示。
1.4.2产品第1次内高压水胀成形图
确定第1次内高压水胀成形的变形部分的长度L2应小于或等于最终成品后变形部分的长度，即：L2≤ 104mm，取L2=100mm；胀形出的斜角要避开第2次内高压水胀成形时的模具型腔位，故斜角位长度取 15mm，那么第1次椭圆胀形长度L3=L2-2×15= 70mm，又因第1次内高压水胀成形的平均变形比为q10=11%，则第1次内高压水胀成形产品的平均理论厚度δ4=δ0-q10=3.39mm。则其变薄量所对应的坯料长度L4=[(D11-2δ4)2-(D11-2δ0)2]·L3/(D20-d20)=2.2mm，其中d0为原毛坯材料管件内径。
根据重量相等原理，通过建模测得第1次内高压水胀成形变形部分的重量为G2=0.25kg，则未变形部分的重量G3=G1-G2=0.11kg，其对应的毛坯长度L5=G3×106/(7.85×0.785×(D20-d20）= 48.1mm
计算第1次内高压水胀成形产品的长度L6=L2+L4+L5=150.3mm
最终确认第1次内高压水胀成形工艺产品的轴向进给量S1=(L1-L6)/2=26.1mm
故第1次内高压水胀成形产品图如图6所示。
综上所述，此滑动叉的内高压工艺制作流程为：下料→去端面毛刺→第1次内高压水胀成形→退火去应力处理→第2次内高压水胀成形。
2 工程实践
经计算，采用P水=250MPa的超高压水胀压强，则主缸夹紧力F1=P水A1=987kN。其中A1为产品水平放置时的投影面积，经软件测得A1= 3947mm2。计算侧缸夹紧力F2=P水A2=104kN，其中A2为产品端面内孔截面积。工艺试验采用广东思豪内高压科技有限公司自发研制并生产的标准内高压水胀液压机YB98-300T，主缸夹紧力为1200kN 两侧缸夹紧力为2×400kN，增压缸为100kN，增压压强为250MPa。试验装置如图7所示，所使用的模具如图8所示。各工序得到的胀形件如图9和图10所示。
3 结语
针对传动轴滑动叉的工艺特点，采用两次内高压胀形工艺，能更好地成形传动轴滑动叉锻件。这是厚管内高压水胀成形的又一典型案例，能够把直通的厚管件胀形成具有一定复杂曲面形状且强度性能更好的产品，同时材料使用率更高、成本更低更符合现在提倡的环保节能需求。另外，产品外形尺寸可以一步到位，减少后续工序的表面加工处理。相对于目前国内的模锻或热挤压来说，工艺更优化更符合市场需求，具有广阔的市场前景。
