轎車變速器中間軸的冷擠壓成形技術(shù)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(jī)上采用減徑擠壓與閉式冷鐓相結(jié)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(shù)的制訂原則、坯料制備、工步選定和設(shè)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(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，可供同類鍛件開發(fā)冷鍛工藝時(shí)參考。

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

圖1 中間軸零件圖

中間軸冷鍛鍛件圖設(shè)計(jì)

該零件結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱形狀，且不復(fù)雜；材料為20CrNi2MoH，退火狀態(tài)硬度≤160HB，強(qiáng)度不高，除左側(cè)大臺(tái)階外，其余變形抗力不大；技術(shù)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(dá)Ra=0.8～0.4μm，公差等級(jí)在IT8～I(xiàn)T7，故冷鍛工藝完全可滿足該零件的各項(xiàng)要求。按冷鍛工藝要求和零件形狀所設(shè)計(jì)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(tái)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(yīng)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(huì)造成棒料中間鐓粗鼓脹，兩端縮徑不能成形，且易產(chǎn)生裂紋，采用其他直徑的棒料一次成形也非常困難。所以經(jīng)過計(jì)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(tái)階，同時(shí)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(shí)將φ48.2mm和φ51mm部分同時(shí)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(shí)將φ65mm采用閉式鐓粗的方式鐓粗到φ67.4 mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)入口角選擇15°。FORGE模擬的成形工步如圖3所示，各工步實(shí)物照片如圖4所示。

圖3 FORGE成形模擬

圖4 各工步實(shí)物照片

成形模擬及成形力

利用模擬軟件驗(yàn)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(jìn)行數(shù)值模擬，采用Pro/E三維實(shí)體軟件繪制相關(guān)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(duì)較小，同時(shí)為了簡化模擬過程，將模具設(shè)置為剛性體，坯料（或鍛件）設(shè)置為塑性體。又因?yàn)槭抢鋽D壓鍛造，將模具、坯料的初始溫度設(shè)為室溫20℃。模擬分析中材料選用20CrMnTi，退火狀態(tài)，等網(wǎng)格尺寸值設(shè)為1，摩擦文件（與模具）、熱交換文件（與模具）設(shè)置為中等，儲(chǔ)存步長設(shè)置1；定義壓機(jī)為機(jī)械壓機(jī)。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(jīng)模擬，可以看出各工序變形均勻穩(wěn)定，網(wǎng)格沒有發(fā)生畸變，模具充填充分，鍛件形狀達(dá)到設(shè)計(jì)要求，心部沒有錯(cuò)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(zhǔn)備。本文將20CrNi2MoH合金結(jié)構(gòu)鋼采用球化退火工藝，用臺(tái)車式電阻爐進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

加熱溫度為影響球化退火質(zhì)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(shí)間必須合適。若保溫時(shí)間過長，則得到的球化組織不均勻，若保溫時(shí)間過短，則原始組織中的片狀碳化物難以破碎，都達(dá)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(dāng)加熱溫度一定時(shí)，冷卻速度小，奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)在高溫區(qū)經(jīng)歷的時(shí)間就長，因而析出的碳化物進(jìn)行聚集的時(shí)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(xì)粒狀組織，硬度偏高。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，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(shí)際球化退火得到組織中，除得到大量小球狀、點(diǎn)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(yàn)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(jié)構(gòu)

生產(chǎn)中我們采用通用冷鍛模架，預(yù)成形和終成形工序的模芯結(jié)構(gòu)簡圖分別如圖9所示。凹模結(jié)構(gòu)均采用組合式凹模，凹模與外套采用過盈配合，以施加預(yù)緊力，減少冷鍛時(shí)模具開裂。凹模內(nèi)芯材料一般采用基體鋼YXR3材料涂層（調(diào)質(zhì)，58～60HRC），外套采用H13材料（調(diào)質(zhì)，43～45HRC），凹模頂桿采用Cr12MoV材料（調(diào)質(zhì)58～60HRC）。組合凹模受力較大的地方采用典型的2層預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，受力不大的地方采用單層預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

圖9 中間軸冷擠壓模具結(jié)構(gòu)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(duì)棒料進(jìn)行球化退火，退火后硬度在150～160HB之間。鍛件的晶粒度≥5級(jí)，實(shí)際檢驗(yàn)為7級(jí)，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(jié)論

⑴用冷擠壓工藝生產(chǎn)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(chǎn)品成形情況比較接近實(shí)際，擠壓后鍛件尺寸穩(wěn)定，表面光潔度高。