變速器二軸齒輪鍛造折疊缺陷的原因分析及解決

文／高原·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

折疊是鍛造生產(chǎn)中一種常見(jiàn)的缺陷，由高溫下已氧化的金屬表層局部匯合在一起壓入鍛件內(nèi)部形成。在機(jī)械加工后的表面，外觀上一般難區(qū)分折疊和裂紋，但折疊尾部一般呈圓鈍，折疊區(qū)域兩側(cè)金屬通常還會(huì)存在氧化和明顯的脫碳現(xiàn)象。折疊破壞了鍛件表面的完整性，殘留在零件表面形成應(yīng)力集中點(diǎn)，容易導(dǎo)致零件在使用中斷裂失效。

折疊缺陷發(fā)現(xiàn)

我公司某齒輪加工車間加工一批某變速器二軸二擋齒輪零件(以下簡(jiǎn)稱“二軸齒輪”)，材料為20CrMnTi，在滲碳淬火后硬車安裝定位端面時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分零件在靠近內(nèi)孔處有沿圓周方向分布的疑似折疊的缺陷，缺陷的位置、外觀如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 折疊位置

圖2 缺陷局部

圖3 折疊在鍛件中對(duì)應(yīng)位置

圖4 腐蝕前后缺陷特征(100×)

沿徑向切開(kāi)斷口，在金相顯微鏡(100×)下觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域有夾雜物，末端圓鈍，不符合淬火裂紋特征，用硝酸酒精溶液腐蝕后，兩側(cè)金屬經(jīng)過(guò)滲碳淬火工序已經(jīng)無(wú)從判斷是否曾經(jīng)脫碳(圖4)，但已經(jīng)可以判斷是典型的鍛造折疊缺陷。帶有折疊缺陷的零件約占6%，由于無(wú)法返修只能全部報(bào)廢，廢品率非常高。

產(chǎn)生原因

二軸齒輪的鍛件鍛造工藝流程：帶鋸機(jī)下料(φ85mm圓鋼)→中頻感應(yīng)爐加熱→程控錘上鐓粗、成形，鑲塊模如圖5 所示。

圖5 鑲塊模

一般的變速箱齒輪鍛件在鍛造過(guò)程中能導(dǎo)致折疊的因素有三種情況。

①鋼材表面的折縫、折疊缺陷殘留在鍛件表面形成折疊；

②下料產(chǎn)生的坯料端面切斜、端面彎曲或帶毛刺、端面凹心或凸起；

③鍛造成形時(shí)各種因素導(dǎo)致的金屬發(fā)生對(duì)流、回流等不正常流動(dòng)造成折疊。

鋼材表面質(zhì)量

鋼材在軋制時(shí)軋輥間產(chǎn)生的毛刺在后續(xù)軋制中壓入表面形成折縫、折疊，如果在鍛造前沒(méi)有及時(shí)清理，就會(huì)殘留在鍛件表面，形成鍛造折疊。但是由于鋼材表面缺陷在鋸切后的坯料上是隨機(jī)存在的，沒(méi)有固定位置，不會(huì)導(dǎo)致類似二軸齒輪這種固定位置、沿圓周方向分布的折疊。

下料過(guò)程

鋼材下料如果使用剪切下料，會(huì)造成坯料端面切斜、彎曲、凹心、凸起或者端面邊緣帶毛刺，在后續(xù)鍛造成形時(shí)會(huì)形成在固定位置的折疊。二軸齒輪鍛件所用鋼材為φ85mm 的20CrMnTi 圓鋼，下料采用鋸切方式，并沒(méi)有上述各種剪切下料缺陷，且坯料端面平整(圖6)，不會(huì)在鍛件上留下折疊。

圖6 下料后坯料端面平整

鐓粗、成形時(shí)不正常流動(dòng)

模具型腔的設(shè)計(jì)不合理經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致金屬在鍛造時(shí)發(fā)生不正常流動(dòng)，從而形成折疊。一般的不合理設(shè)計(jì)有：凸圓角過(guò)小、出模角過(guò)小、分模位置不合適等，二軸齒輪熱鍛件如圖7 所示。

圖7 齒輪熱鍛件

熱鍛件圖中連皮及輻板內(nèi)側(cè)部位1 體積較小，尤其連皮處體積太小，而輻板外側(cè)的部位2 則體積較大。二軸齒輪在錘上鐓粗后直接終鍛成形，沒(méi)有預(yù)鍛分料工步，無(wú)法合理地分配金屬體積。這樣會(huì)導(dǎo)致各部位流動(dòng)速率差異和充滿不同時(shí)，連皮處體積最小，料流動(dòng)最劇烈，其次是部位1，最后是部位2。另外熱鍛件3 處R5 稍小，也不易于金屬流動(dòng)。利用DEFORM 2D 模擬鐓粗后坯料在錘上模具中的終鍛成形過(guò)程，速率矢量圖見(jiàn)圖8、未充滿時(shí)距表層0.5mm 處流線見(jiàn)圖9，充滿后距表層0.5mm 處流線見(jiàn)圖10。

圖8 速率矢量圖

圖9 未充滿時(shí)距表層0.5mm 處流線

圖10 充滿時(shí)距表層0.5mm 處流線

圖10 流線顯示在A、B 兩處都有折疊趨勢(shì)。圖8顯示A 處也有明顯的回流，實(shí)際生產(chǎn)中未產(chǎn)生折疊缺陷，得益于該處大圓角利于金屬流動(dòng)。可以看到圖9 中型腔未充滿時(shí)，折疊趨勢(shì)不明顯；充滿后C 處金屬很少流向輻板外側(cè)，而連皮處流向C 處的金屬流動(dòng)速率很高，在交界處受到較大阻力，金屬遵循最小阻力斜向上、向外流動(dòng)帶動(dòng)了連皮與交界處表層金屬卷入內(nèi)部，打擊力較大，變形速率更大時(shí)，折疊就向外移動(dòng)到C 處，就是二軸齒輪的折疊位置。

由此，可以確定二軸齒輪折疊原因是終鍛連皮處向外流出的金屬流動(dòng)不順暢，帶動(dòng)表層金屬卷入鍛件內(nèi)部，形成了折疊。

解決方案

折疊的原因是終鍛時(shí)金屬流動(dòng)不暢，所以降低折疊的趨勢(shì)要通過(guò)改善終鍛過(guò)程金屬的流動(dòng)情況實(shí)現(xiàn)。

連皮處金屬在終鍛最后階段流出時(shí)遇到較大阻力的原因是：①連皮處流出金屬的流動(dòng)速率大于圖10中C 處金屬；②連皮處模具表面與C 處模具表面連接B 處過(guò)渡不夠平緩，造成B 處周圍金屬容易被帶動(dòng)。那么，就要降低兩處金屬流動(dòng)速率的差異，并讓兩處模具表面緩和地過(guò)渡。根據(jù)這些需要，修改模具型腔，將連皮處下模降低，并加大B 處圓角(圖11)。這樣會(huì)使得連皮流出的金屬更靠近C 處模具表面，C 處金屬流動(dòng)會(huì)加快，不容易對(duì)連皮處金屬形成較大阻力，同時(shí)使得金屬流過(guò)B 處時(shí)更加平緩。

圖11 更改模具型腔后的熱鍛件

利用DEFORM 2D 模擬更改模具型腔后的終鍛成形過(guò)程，充滿后距表層0.5mm 流線如圖12 所示。

圖12 更改后充滿時(shí)距表層0.5mm 流線

從更改后的流線模擬來(lái)看，折疊的趨勢(shì)已經(jīng)很大程度上消除了。實(shí)際中，按照這個(gè)模具更改方案返修模具后再次生產(chǎn)時(shí)，原來(lái)折疊發(fā)生的鍛件表面再未出現(xiàn)折疊(圖13)，印證了之前對(duì)折疊形成原因的分析是正確的，也說(shuō)明采取的解決方案有效。

圖13 更改后鍛件

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型號(hào)變速器二軸二擋齒輪熱加工后端面折疊的分析，得出折疊的原因是終鍛時(shí)連皮處向外流出金屬流動(dòng)不順暢，帶動(dòng)表層金屬卷入鍛件內(nèi)部，形成了折疊。針對(duì)此原因，調(diào)整了該處模具尺寸，DEFORM 模擬結(jié)果顯示該處折疊趨勢(shì)基本消除，實(shí)際生產(chǎn)中也再未發(fā)生。本文提出的這種對(duì)折疊的原因分析和解決方案對(duì)類似零件解決相似的折疊提供了參考，也為新設(shè)計(jì)類似零件預(yù)防折疊提供了思路。