中间轴冷挤压花键成形力分析及参数优化
摘要：介绍了中间轴冷挤压花键成形工艺，对影响冷挤压花键成形力的主要因素进行了分析，通过对零件表面质量、花键刀导入角、花键刀成形齿长度的优化改进，冷挤压花键成形力降低23%，花键刀寿命提升至8万件。文章中提出的冷挤压花键力参数优化方案，能够解决实际生产中冷挤压花键成形力大导致的一系列问题，有效地提高了产品质量、增加了花键刀使用寿命，进而降低零件报废成本及花键刀成本，起到降本增效作用。
关键词：冷挤压花键工艺花键成形力参数优化
转向中间轴用于连接转向管柱和转向机，起到承载转向系统内部传递扭矩的作用，是保证汽车能够在高速行驶中，平稳转向的重要安全部件[1]。中间轴冷挤压花键是指中间轴轴端采用冷挤压工艺加工花键，与万向节叉花键进行过盈装配，以达到产品使用过程中抗拉、扭转要求[2]。在实际生产中，冷挤压花键存在花键成形力大，零件花键齿断裂、毛刺，花键刀异常磨损，寿命短等问题[3]，严重影响产品质量，也不利于生产成本控制。本文通过分析冷挤压花键成形力影响因素，优化相关参数[4-5]，达到降低花键成形力，提高产品质量及花键刀寿命的目的。
2冷挤压花键成形工艺
中间轴冷挤压花键成形工艺是指在室温环境下，伺服电缸通过夹紧机构夹持中间轴类零件，零件以50mm/s的速度快速通过花键成形模具刀（下文简化为花键刀），零件表面材料被花键刀挤压出符合图纸要求的尺寸，同时花键成形力在过程控制范围内的花键成形工艺。
在实际生产中，中间轴冷挤压花键成形工艺存在花键成形力大的问题，如图4所示。
花键成形力大问题不仅对产品质量造成不良影响，也会造成花键刀异常磨损甚至碎裂情况发生。如图5所示，零件花键出现撕裂、毛刺等不良，造成零件报废。如图6所示，花键刀异常磨损、碎裂。
3冷挤压花键成形力影响因素及优化
冷挤压花键成形是复杂的塑性变形过程，花键成形力和轴向金属流动情况密切相关。金属流动具有多方面的不确定因素，包括零件与花键刀的摩擦系数、零件材料及外径尺寸、花键刀导入角、花键刀成形齿长度、成形速度、零件与花键刀同轴度等。
结合实际生产中积累的经验，本文主要对摩擦系数、花键刀导入角、花键刀成形齿长度进行分析。分析过程借助ABAQUS仿真软件，并对花键成形过程进行简化，将50齿花键成形模拟简化为3齿花键成形模拟，如图7所示。
3.1摩擦系数
结合实际生产，影响中间轴冷挤压花键成形过程的摩擦系数主要和零件表面的磷皂化层有关。分别选取生产三种不同状态的零件：零件无磷皂化层、零件有磷皂化层且表面清洗、零件有磷皂化层且表面无清洗，通过摩擦磨损实验，获取三种零件的摩擦系数：0.11736、0.0997、0.08，进行花键成形模拟。
图8为不同摩擦系数条件下，最大成形力及平均成形力的变化趋势。摩擦系数越大，花键成形力越大。过大的花键成形力也会导致零件在花键刀内的金属流动性变差，造成花键齿形撕裂、堆料，零件报废。在实际生产中，一般会对花键刀进行喷油润滑，或是增加零件表面磷皂化层，降低摩擦系数，进而降低花键成形力。
3.2花键刀导入角
花键刀导入角是花键刀的重要参数，其大小影响金属流动性、变形程度、成形力大小及花键刀磨损程度。实际生产中的花键刀导入角如图9所示。
结合实际生产花键刀导入角，分别选择10°、15°、20°进行花键成形力模拟仿真。图10为不同花键刀导入角条件下，花键最大成形力和平均成形力的变化趋势。从图中可以看出，花键刀导入角15°条件下得到的花键成形力最小。花键导入角小会降低零件进入花键刀时的成形力，但也会增加零件与花键刀的接触面积，使得二者间的摩擦力增大，进而导致花键成形力增大。当花键导入角过大时，会增加零件材料的剪切抗力，零件材料的金属流动性也会变差，造成金属堆积增大摩擦力，进而导致花键成形力增大。
3.3花键刀成形齿长度
花键刀成形齿长度是决定花键成形力和花键成形尺寸的关键因素。花键成形齿与零件材料充分接触，起到切割零件材料，并挤压成花键的作用。实际生产中的花键刀成形齿长度如图11所示。
结合实际花键刀成形齿长度，设置3mm、4mm、5mm作为仿真模拟主要参数进行花键成形仿真。图12为不同花键刀成形齿长度条件下，花键最大成形力和平均成形力的变化趋势。从图中可以看出，花键成形齿长度由3mm增加到5mm时，花键成形力大幅增长。花键刀成形齿长度越大，与零件材料接触距离越长，摩擦面积增大，使得材料金属流动性变差，造成花键成形力增大；花键刀成形齿长度过小，可减小与零件材料的接触距离，减小摩擦力使得花键成形力降低，但也造成材料金属流动性不均匀，花键成形不饱满，尺寸不合格。
3.4冷挤花键成形力优化验证
在实际生产中，根据不同因素对花键成形力的影响趋势，对零件增加磷皂化层，保持花键刀导入角度15°不变，将花键刀成形齿长度改为3m