轎車變速器中間軸的冷擠壓成形技術研究

文／桂安朋，劉念·一汽鍛造（吉林）有限公司

以轎車變速箱中間軸鍛件為例，介紹了在通用液壓機上采用減徑擠壓與閉式冷鐓相結合的成形方法鍛制階梯軸的一種多工步冷鍛工藝。利用FORGE模擬軟件分析成形狀況及成形力，討論了鍛件圖中各工藝參數的制訂原則、坯料制備、工步選定和設備選擇；給出了各冷鍛工步的鍛件工序圖和模具裝配圖，介紹了模具的工作過程與模具材料的選擇。該工藝及模具經生產實踐驗證，具有較好的經濟效益，可供同類鍛件開發(fā)冷鍛工藝時參考。

中間軸是用在轎車變速箱DCT270上的一種傳動軸，其材料為20CrNi2MoH，形狀尺寸如圖1所示。該零件為軸對稱形狀，圖示左側有一臺階，兩端均有縮徑，采用常規(guī)機械切削方法加工時，材料利用率低，工作效率很低，難以滿足生產要求。采用冷鍛技術成形該傳動軸，成形零件精度高，機械加工量小，可達到圖紙要求。

圖1 中間軸零件圖

中間軸冷鍛鍛件圖設計

該零件結構為軸對稱形狀，且不復雜；材料為20CrNi2MoH，退火狀態(tài)硬度≤160HB，強度不高，除左側大臺階外，其余變形抗力不大；技術要求的尺寸精度和表面粗糙度要求一般，冷鍛零件的表面粗糙度可達Ra=0.8～0.4μm，公差等級在IT8～IT7，故冷鍛工藝完全可滿足該零件的各項要求。按冷鍛工藝要求和零件形狀所設計鍛件圖，如圖2所示。

中間軸冷鍛成形工藝及模擬成形

冷鍛工藝方案

觀察中間軸鍛件圖，中間臺階直徑為φ67.4 mm，兩端最小直徑分別為φ47.4mm和φ37mm，兩端均有變形，應采用減徑擠壓。若采用φ67.4mm毛坯一次成形，由直徑φ67.4mm變?yōu)棣?7mm，斷面縮減率ε為69.8%。在減徑擠壓中，這么大的擠壓比會造成棒料中間鐓粗鼓脹，兩端縮徑不能成形，且易產生裂紋，采用其他直徑的棒料一次成形也非常困難。所以經過計算和分析將該零件的成形工序分為三步。第1步先用φ48mm的坯料將兩端縮徑擠出直徑為φ44.6mm和φ47mm的臺階，同時將鐓粗部分先聚料到φ51mm，斷面縮減率ε為13.7%，采用開式鐓擠工藝。第2步再將坯料由φ44.6mm擠壓到φ41.8mm，斷面縮減率ε為12.2%，同時將φ48.2mm和φ51mm部分同時鐓粗到φ65mm。第3步將坯料由φ41.8mm擠壓到φ37mm，斷面縮減率ε為21.6% ，同時將φ65mm采用閉式鐓粗的方式鐓粗到φ67.4 mm。根據經驗入口角選擇15°。FORGE模擬的成形工步如圖3所示，各工步實物照片如圖4所示。

圖3 FORGE成形模擬

圖4 各工步實物照片

成形模擬及成形力

利用模擬軟件驗證以上工藝的可行性。

第1序模擬過程中，鍛件成形穩(wěn)定，縮頸成形力在80t左右，聚料鐓粗的成形力為270t，成形較好，成形力分配較合理。圖5所示為中間軸第1序成形狀況及成形力。

第2序模擬過程中，鍛件成形穩(wěn)定，縮頸成形力在82t左右，聚料鐓粗的成形力為300t，成形較好，成形力分配較合理。圖6所示為中間軸第2序成形狀況及成形力。

第3序模擬過程中，鍛件成形穩(wěn)定，縮頸成形力在100t左右，聚料鐓粗的成形力將近700t，成形較好，成形力分配較合理。圖7所示為中間軸第3序成形狀況及成形力。

有限元成形模擬分析

用FORGE軟件進行數值模擬，采用Pro/E三維實體軟件繪制相關模具、坯料模型，然后保存為STP格式。考慮到模具的彈性變形量相對較小，同時為了簡化模擬過程，將模具設置為剛性體，坯料（或鍛件）設置為塑性體。又因為是冷擠壓鍛造，將模具、坯料的初始溫度設為室溫20℃。模擬分析中材料選用20CrMnTi，退火狀態(tài)，等網格尺寸值設為1，摩擦文件（與模具）、熱交換文件（與模具）設置為中等，儲存步長設置1；定義壓機為機械壓機。成形過程如圖8所示。

圖5 中間軸第1序成形狀況及成形力

圖6 中間軸第2序成形狀況及成形力

圖7 中間軸第3序成形狀況及成形力

圖8 成形過程模擬

經模擬，可以看出各工序變形均勻穩(wěn)定，網格沒有發(fā)生畸變，模具充填充分，鍛件形狀達到設計要求，心部沒有錯裂。

球化退火

球化退火是一種常用的熱處理工藝，主要適用于各種高碳工具鋼。球化退火目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并為后面的工藝做準備。本文將20CrNi2MoH合金結構鋼采用球化退火工藝，用臺車式電阻爐進行工藝試驗。

加熱溫度為影響球化退火質量的首要條件。若加熱溫度過高，則碳化物溶解太多，奧氏體成分均勻，這將減少球化核心，退火后易獲得片狀珠光體。若加熱溫度太低，則碳化物溶解，甚至可能使珠光體中的部分片狀碳化物保留下來，使鋼材退火后硬度偏高。

保溫時間必須合適。若保溫時間過長，則得到的球化組織不均勻，若保溫時間過短，則原始組織中的片狀碳化物難以破碎，都達不到良好的球化效果。

冷卻速度直接影響碳化物的顆粒大小和均勻性。當加熱溫度一定時，冷卻速度小，奧氏體向珠光體轉變時在高溫區(qū)經歷的時間就長，因而析出的碳化物進行聚集的時間充分，形成的碳化物顆粒較大。反之，冷卻速度大，碳化物便來不及聚集長大，因而得到的是細粒狀組織，硬度偏高。

經過多次試驗，最后確定出，20CrNi2MoH的球化退火工藝如表1所示。

表1 球化退火工藝

實際球化退火得到組織中，除得到大量小球狀、點狀珠光體外，還有少量片狀珠光體分布在鐵素體基體上。多次試驗證明，合金鋼想得到全部的球狀珠光體非常困難，總是存在少量片狀珠光體，但總體看來，金相組織全部屬于球狀珠光體組織。

輸入軸冷鍛模具結構

生產中我們采用通用冷鍛模架，預成形和終成形工序的模芯結構簡圖分別如圖9所示。凹模結構均采用組合式凹模，凹模與外套采用過盈配合，以施加預緊力，減少冷鍛時模具開裂。凹模內芯材料一般采用基體鋼YXR3材料涂層（調質，58～60HRC），外套采用H13材料（調質，43～45HRC），凹模頂桿采用Cr12MoV材料（調質58～60HRC）。組合凹模受力較大的地方采用典型的2層預應力結構，受力不大的地方采用單層預應力結構。

圖9 中間軸冷擠壓模具結構圖

工藝過程及成形情況

汽車中間軸所采用的工藝流程為：下料→軟化處理→噴丸→制坯→潤滑處理→三工步冷鍛成形→清理→探傷→終檢入庫。下料后對棒料進行球化退火，退火后硬度在150～160HB之間。鍛件的晶粒度≥5級，實際檢驗為7級，冷擠壓后鍛件圖及加工圖如圖10所示。

圖10 冷擠壓成形鍛件圖

結論

⑴用冷擠壓工藝生產汽車中間軸鍛件工藝可靠，材料利用率高。

⑵采用FORGE模擬軟件分析產品成形情況比較接近實際，擠壓后鍛件尺寸穩(wěn)定，表面光潔度高。