轿车变速器齿轮轴的冷挤压成形技术研究

桂安朋

中间轴是轿车变速器上的一种齿轮轴，材料为20CrMnTiH，如图1所示。该零件直径最大台阶为分模面，左侧有一台阶，另一端有四个台阶，如果采用常规机械加工时，工时长、效率低且材料浪费很大，产品寿命低，不能满足精益生产要求。采用冷锻技术成形该齿轮轴，成形零件精度高，切削加工量小，可达到图样技术要求。

1.中间轴冷锻锻件图设计

该零件结构为轴对称形状，材料20CrMnTiH，除最大台阶外，其余变形抗力不大；图示台阶尺寸可以通过冷锻成形工艺来完成，且技术要求的尺寸精度和表面粗糙度要求一般，冷锻零件表面粗糙度可达Ra=0.8～0.4μm，公差等级在IT8～IT7，故冷锻工艺完全可满足该零件各项要求。按冷锻工艺要求和零件形状所设计锻件图，如图2所示。

2.中间轴冷锻成形工艺及模拟成形

（1）冷锻工艺方案 原材料20CrMnTiH，φ50mm热轧棒料，锯切下料，下料长度（287+0.5）mm；球化退火状态硬度140～150HBW；磨外圆、平两头，将棒料磨到φ（49+0.1）mm、长为277.5mm，为去除材料表面裂纹，控制毛坯外径与重量；磷化皂化处理。

观察中间轴锻件图，中间台阶直径最大，两端都有直径小的台阶，应采用开式挤压。若采用φ80.5mm毛坯一次成形，由φ80.5mm变为φ37mm，断面缩减率为ε=（80.52－372）÷80.52×100%=78.9%，开式挤压中，这么大的挤压 比会造成棒料中间鼓胀，两端缩径不能完成，且易产生裂纹；采用其他直径的棒料一次成形也非常困难。所以经过计算和分析将该零件成形工序分为3步。

第1步先用φ49mm坯料将两端减径挤出φ42mm和φ45mm的台阶，同时将镦粗部分先聚料到φ55mm，断面缩减率分别为ε=（492－422）÷492×100%=26.5%，ε=（492－452）÷492×100%=15.7%，采用闭式镦挤工艺。

第2步再将坯料由φ45mm减径挤压到φ42mm，断面缩减率为ε=（452－422）÷452×100%=12.9%，同时将φ49mm和φ55mm同时镦粗到φ58mm。

第3步将坯料由φ42mm减径挤压到φ37mm，断面缩减率为ε=（422－372）÷422×100%=22.4%，同时将φ58mm采用闭式挤压方式镦粗到φ58.5mm和φ80.5mm。根据经验我们入模角选择15°。工步如图3所示。

图1 中间轴零件

图2 中间轴冷锻锻件

（2）成形模拟及成形力 利用模拟软件验证以上工艺可行性。第1序模拟过程中，锻件成形稳定，成形力为2800kN，成形较好，成形力分配较合理。第2序模拟过程中，锻件成形稳定，成形力为2600kN，成形较好，成形力分配较合理。第3序模拟过程中，锻件成形稳定，成形力将近9600kN，成形较好，成形力分配较合理（见图4～图6）。

3.输入轴冷锻模具结构

生产中采用通用冷锻模架，如图7所示。凹模结构均采用组合式凹模，凹模与外套采用过盈配合，以施加预紧力，减少冷锻时模具开裂。凹模模腔材料一般采用Cr12MoV或硬质合金材料，外套采用5CrNiMo或H13材料，冷锻冲头也采用Cr12MoV材料。组合凹模受力较大地方采用典型的2层预应力套结构，受力不大的地方采用单层预应力套结构。

4.工艺过程及成形情况

汽车中间轴所采用的工艺流程为：下料→扒皮→球化退火→抛丸→磷化皂化→三工步冷锻成形→等温正火→机加工→磁粉检测→终检入库。等温正火后机加工主要是加工锻件径向尺寸和铣两个端面及中心孔。冷锻后锻件如图8所示。

5.结语

（1）用冷挤压工艺生产汽车中间轴锻件工艺可靠，材料利用率高，产品使用寿命高。

（2）采用AFDEX模拟软件分析产品成形情况比较接近实际，挤压后锻件尺寸稳定，表面粗糙度值低。

图3 中间轴工步

图4 中间轴第1序成形状况及成形力

图5 中间轴第2序成形状况及成形力

图6 中间轴第3序成形状况及成形力

图7 中间轴冷锻模具结构

图8 冷锻成形锻件