随着人民生活水平的不断提高，汽车产业得到了蓬勃的发展，消费者对驾乘舒适性与安全性提出了更高的要求。在此背景下，高性能汽车零部件产业也获得了迅猛的发展。据海关总署最新数据显示，2021年1-8月的汽车零部件出口金额达到了3165.8亿元，同比增长了34.6%^[1-4]。等速万向节是汽车传动系统中的重要结构部件，用于传递动力和扭矩。传统等速万向节总成主要由内球笼、外球笼以及中间半轴组成。近年来，研究人员通过采用滑移轴结构取代简单中间半轴的方式来减小震动和冲击力，进而提高驾乘人员的舒适性^[5-6]。滑移轴套的主要特征在于其内腔带有较长的滑移滚道，内腔尺寸精度要求高，同时作为重要的传动构件，其承受着较大的扭矩。因此，为保证滑移轴套的尺寸精度和优异的力学性能，目前主要通过锻造、机加工等方式进行制造。

滑移轴套从尺寸上可以被细分为普通型和超长型（大于200mm），其内部结构均类似于内花键。就普通型滑移轴套而言，其成形方法主要为机械加工（拉刀切削）和锻造挤压成型，工艺较为成熟，成形质量较好。然而，对于超长型滑移轴套，传统的机械加工和锻造成形则很难达到产品技术要求。目前常用的方法主要是“拉刀切削+热处理+磨削加工”。在实际生产中发现，由于滚道较深，磨削加工难度较大且成本高昂。同时，在磨削过程中还容易出现内外锥度，进而导致产品合格率低下等问题。目前研究结果表明，未见针对此类超长型滑移轴套的锻压成形工艺研究。

本文以某型号车用滑移轴套作为研究对象，拟运用温冷复合塑性成形工艺（一次温挤压+多次冷挤压），实现超长滑移轴套的锻压成形。采用Deform塑性成形模拟仿真软件，对冷挤压成形工艺进行仿真，并深入探讨坯料在锻模中的流动分布规律、应力应变分布规律及载荷分布规律，为锻造工艺优化和生产试制提供理论依据和数据支撑。

1 零件结构及工艺分析

图1为超长型滑移轴套的锻件图，材料为20CrMnTi，从图1可以发现其内滚道形状复杂、尺寸精度要求高，长度大于200mm。从锻件图可知，其加工难点在于内部长滚道的精确成形。本文拟采用温冷复合塑性成形的方法进行制造，温成形工艺路线包括：下料-镦粗-反挤压，如图2所示。在温成形结束后，进行余热退火并进行磷皂化处理，以消除温成形毛坯的残余应力并改善冷挤压过程中的润滑条件^[7]。冷成形工艺路线包括：两次冷挤压，如图3所示。经过两次冷挤压成形的滑移轴套内腔精度高且不需要后续机械加工。

图1 超长型滑移轴套锻件图

图2 温成形工艺流程 (a)下料；(b)镦粗；(c)温锻（反挤压）

图3 冷成形工艺流程(a)温挤压成形毛坯；(b)一次冷挤压；(c)二次冷挤压

2 有限元数值模拟及分析

如图2所示，通过温锻成形可以基本实现长度100mm的内腔滚道，该工艺为成熟工艺。冷挤压成形的方法具有表面质量好，硬度和强度较高，还具有较强的抗疲劳性能^[8]。冷挤压加工过程中引起的加工强化还能够进一步提高材料的力学性能。由于常温下金属材料塑性变形能力较差，变形抗力较大，合理的挤压工艺有利于促进金属流动，降低模具损耗。本研究的难点在于温成形后的多次冷挤压工艺。因此，采用Deform软件^[9-10]建立了有限元分析模型，对超长滑移轴套的冷挤压成形工艺进行了仿真。

2.1 多次冷挤压成形过程分析

图4所示为冷挤压成形过程中锻件变形的截面图。通过采用Φ56mm和Φ51.5mm的圆形模具，对磷皂化后的热锻件进行挤压。可以发现经过两次冷挤压过程后获得了结构完整的超长滑移轴套锻件。多次冷挤压工艺有效减小了单次变形量，降低了变形抗力，从而确保了最终的锻件表面质量。

图4 超长滑移轴套的冷挤压成形过程轮廓截面，（a）一次冷挤压起始阶段；（b）二次冷挤压起始阶段；（c）二次冷挤压完成状态

2.2 等效应力分析

超长滑移轴套的冷挤压成形过程的等效应力如图5所示。由图5（a~d）和图5（e~h）对比可知，一次冷挤压和二次冷挤压的最大等效应力分别为903MPa和907MPa，在两次冷挤压过程中的最大等效应力基本保持一致。这表明材料在冷挤压过程中变形较稳定，未出现明显的应力状态波动。从图5中还可以发现，滑移轴套底部的等效应力始终保持在较低的水平，最大等效应力的位置均位于挤压变形处。这就确保了在冷挤压过程中滑移轴套底部不会出现穿孔缺陷。同时，在冷挤压结束后，锻件的应力分布较均匀，这对冷挤压后的锻件整体质量提供了有效保证。

图5 超长滑移轴套的冷挤压成形过程的等效应力，（a~d）一次冷挤压阶段；（e~h）二次冷挤压阶段

2.3 等效应变分析

超长滑移轴套的冷挤压成形过程的等效应变如图6所示。从图6中可以发现在两次冷挤压过程中材料的等效应变分布较为均匀。在一次冷挤压过程中，最大等效应变为0.95，而在二次冷挤压过程中最大等效应变为4.49。这表明在二次冷挤压过程中变形量较大，然而由图5可知，两次冷挤压过程中的等效应力基本一致。这主要归因于两次冷挤压过程中间的重复退火，通过重复退火在一定程度上减小了前一道冷挤压过程引起的加工硬化，有效降低锻件硬度，提高材料塑性，进而减小材料的变形抗力^[11]。

图6 超长滑移轴套的冷挤压成形过程的等效应变，（a~d）一次冷挤压阶段；（e~h）二次冷挤压阶段

2.4 模具载荷曲线

图7所示为冷挤压过程中上模具的载荷变化曲线，可以发现在冷挤压过程中变形载荷基本保持平稳。同时，在一次冷挤压过程中的模具载荷达到了近650KN，而在二次冷挤压过程中的模具载荷约为450KN。显然，在二次冷挤压中具有较低的模具载荷，这主要由于经过重复退火后材料的变形抗力得到了有效降低造成的。

图7 超长滑移轴套的冷挤压成形过程中上模具载荷曲线

3 中试验证

产品KW-3039（超长滑移轴套锻件）的中试过程在江苏海宇机械有限公司进行，严格依据优化的工艺方案，试制实验主要包括温锻成形以及后续的等温退火、抛丸、磷皂化、一次冷挤压、退火、抛丸、磷皂化、二次冷挤压等工序，试验进展顺利。

本文重点探讨两次冷挤压过程对锻件成形质量的影响。如图8(a)，经试制发现，一次冷挤压后产品延伸了约50%左右，由原先的103-105mm延伸至154-159mm。通过观察Q32-2000的四柱液压机上的压力表可知，压制的压力为10MPa左右，脱模压力为1.5MPa左右，产品内腔尺寸比凸模缩小了约0.03-0.04mm。经过二次冷挤压后产品延伸了40%左右，由原先的154-159mm延伸至215-224mm。通过观察Q32-2000的四柱液压机上的压力表可知，压制的压力为8MPa左右，脱模压力为3MPa左右。此时，产品内腔尺寸均已达到图纸要求。经技术确认，各项尺寸及性能指标均能够达到客户要求。

图8 超长滑移轴套的生产验证 (a) 一次挤压成形；(b) 二次挤压成形

4 结论

设计了超长滑移轴套的温冷联合挤压成形工艺，通过数值模拟分析了其成形过程中的应力场、应变场和成形载荷的变化与分布情况。结合数值模拟结果与中试验证可以发现，温冷复合挤压工艺能够实现超长轴套的锻压成形，成形质量良好。同时，冷挤压过程中应力场和应变场分布均匀，载荷适当，未出现折叠和破裂等缺陷的问题。两次冷挤压过程之间的重复退火能够有效降低变形抗力，是确保成形质量的关键工艺之一。

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作者简介：沈华宾(1987-)，男，江苏人，工程师，本科，主要研究方向：塑性成形及机械工程。