變速箱輸入軸冷鍛工藝研究

文／袁海兵，楊益，李明明，朱華，秦國琛·江蘇森威精鍛有限公司

輸入軸作為變速箱的重要組成部分，其作用是在汽車行駛過程中，將發(fā)動機的扭矩傳遞至變速箱。輸入軸外形結(jié)構(gòu)單一，呈軸對稱狀，屬于典型的變直徑長桿類零件。傳統(tǒng)的楔橫軋熱鍛成形工藝，因成形工藝簡單，生產(chǎn)效率高，被廣泛應(yīng)用。但是，鍛件內(nèi)部組織疏松，鍛后需額外增加正火處理來改善晶粒度。近年來，為了提高軸類零件的安全性能和力學(xué)性能，同時應(yīng)對汽車零部件企業(yè)的成本和環(huán)保雙重壓力，越來越多的企業(yè)開始采用冷鍛精鍛成形技術(shù)生產(chǎn)軸類毛坯鍛件。相較于楔橫軋，冷鍛工藝具有加工余量小，心部組織致密，鍛后無需正火處理等優(yōu)點，已經(jīng)取得顯著的經(jīng)濟效益。

本文以某變速箱內(nèi)輸入軸為研究對象，介紹了在多工位壓力機上，采用正擠、減徑和冷鐓相結(jié)合的成形工藝，利用有限元分析軟件，對成形工藝展開研究，探尋材料流動規(guī)律、充填狀況及成形力，為輸入軸生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

鍛件圖分析

圖1 為某輸入軸的鍛件圖，根據(jù)某汽車品牌變速箱輸入軸的零件圖、技術(shù)要求及其鍛造成形工藝特點繪制而成，材料為20MnCr5，表面粗糙度要求不高，但加工余量小，尺寸精度要求較高，因此采用冷鍛成形工藝可滿足相關(guān)要求。

圖1 輸入軸鍛件圖

冷鍛工藝設(shè)計

分析鍛件圖各臺階尺寸，除φ28mm 臺階直徑變化較大外，其余尺寸變化不大，整體變形抗力較小。基于目前已有的研究，同時結(jié)合本公司在冷鍛生產(chǎn)上的經(jīng)驗，制定了如圖2 所示的工序圖。從圖2 中可以看出，采用φ43mm 的棒料，根據(jù)體積不變原則，確定其落料長度，棒料需進(jìn)行軟化處理，在批量生產(chǎn)時可以直接購買正火材料來進(jìn)一步降低成本，提高生產(chǎn)效率。因φ28mm 臺階變化較大，其臺階直徑比ε12=d12/d0=0.65，符合正擠壓變形量要求，入模角設(shè)計為20°，工序1 設(shè)計為正擠工藝；工序二、三均通過減徑變形獲得符合鍛件及工藝所需要的各臺階直徑尺寸，其各自變形量分別為：ε21=d21/d22=0.89，ε31=d31/d21=0.93，ε33=d33/d32=0.86；工序4 為減徑與鐓粗復(fù)合成形，臺階1 和臺階8 為減徑成形，其變形量分別為：ε41=d41/d42=0.85，ε48=d48/d47=0.89，臺階3 為冷鐓成形，通過鐓粗將直徑鐓粗至φ49.6mm，其鐓粗比ε43=h43/(h32-h44)=0.92，變形量均可滿足減徑與鐓粗的設(shè)計要求。為進(jìn)一步減少減徑時的變形力，根據(jù)經(jīng)驗，減徑入模角度統(tǒng)一按13°進(jìn)行設(shè)計，銳角倒鈍處理。

圖2 工序圖

數(shù)值模擬分析

采取Deform 軟件進(jìn)行有限元模擬，分別對各工序建立有限元模型，如圖3 所示；材料數(shù)據(jù)選用材料庫中的通用材料DIN-20MnCr5；摩擦條件采用剪切摩擦模型，摩擦因子設(shè)為0.12；上模速度設(shè)置為15mm/s。

圖3 各工序有限元模型

充填效果分析

圖4 為輸入軸精鍛過程中的充填效果情況云圖，各工序均可獲得較好的材料充填效果，產(chǎn)品無裂紋、折疊等風(fēng)險。工序1、工序2、工序3 在成形終了時，均可獲得貼合模具形狀的零件，工序4 成形終了時，除大臺階上下兩端存在輕微充不滿現(xiàn)象外，其余桿部充填效果良好，各臺階符合工藝設(shè)計要求。

圖4 各工序充填效果云圖

等效應(yīng)力分析

圖5 為輸入軸在各工序階段性成形終了時的等效應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，工序1 的最大等效應(yīng)力發(fā)生在正擠區(qū)域，工序2、工序3 的最大等效應(yīng)力均發(fā)生在減徑區(qū)域，工序4 的最大等效應(yīng)力發(fā)生在鐓粗區(qū)域，與工藝設(shè)計吻合；成形過程中，最大等效應(yīng)力為680MPa 左右，等效應(yīng)力分布均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯應(yīng)力集中區(qū)域。

圖5 各工序等效應(yīng)力云圖

成形載荷分析

圖6 為輸入軸成形過程中的載荷曲線，走勢分為4 個階段，分別對應(yīng)各自成形工序。其中，工序4 的載荷曲線走勢可分為3 個階段：首先是毛坯在上模具的作用，開始進(jìn)入塑性變形階段，此時材料進(jìn)行減徑工序，成形穩(wěn)定，載荷緩慢上升且較小；隨著上模繼續(xù)下壓，材料開始鐓粗，成形載荷開始上升；階段3后，材料開始緩慢貼合模具，載荷開始顯著增加，隨著模具的繼續(xù)運動，成形載荷開始急劇上升直至成形終了，材料完全貼合模具。總體來看，當(dāng)材料填充滿的時候，載荷達(dá)到峰值，最大成形載荷約為255 噸。從載荷圖中可以看出，綜合成形噸位在550 噸左右，成形噸位適中，且其中工序1 和工序4 成形噸位相對較大，在多工位鍛造時設(shè)備不容易發(fā)生偏載，工藝實現(xiàn)較為容易且節(jié)省了能耗。

圖6 載荷曲線

工藝試驗

根據(jù)給出的方案進(jìn)行工藝試驗，經(jīng)過棒料下料→正火→拋丸→潤滑處理→正擠→減徑1 →減徑2 →成形等工序后，獲得了如圖7 所示的輸入軸各工序的制件。觀察制件，可以發(fā)現(xiàn)各工序制件整體充填飽滿，外觀無裂紋、折疊等缺陷，雖然工序4 制件在大臺階處有輕微的不飽滿現(xiàn)象，但與模擬結(jié)果吻合，且滿足設(shè)計要求，整個工藝試驗過程穩(wěn)定，設(shè)備載荷情況穩(wěn)定。工藝試驗的結(jié)果驗證了生產(chǎn)工藝的可行性和模擬分析的準(zhǔn)確性。

圖7 工藝試驗件與有限元模型對比

結(jié)束語

⑴針對輸入軸楔橫軋熱鍛出現(xiàn)的組織疏松等缺點，基于冷擠壓成形的設(shè)計方法，給出了輸入軸冷擠壓的設(shè)計方案。

⑵基于數(shù)值模擬技術(shù)，從充填效果、等效應(yīng)力與成形載荷等方面對輸入軸成形進(jìn)行了分析，并開展了相應(yīng)的工藝試驗，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，所得試制件材料利用率高，工藝穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求，對該類零件的實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。