轿车变速器中间轴的冷挤压成形技术研究

2018-02-27桂安朋刘念一汽锻造吉林有限公司

锻造与冲压 2018年3期

文／桂安朋，刘念·一汽锻造（吉林）有限公司

以轿车变速箱中间轴锻件为例，介绍了在通用液压机上采用减径挤压与闭式冷镦相结合的成形方法锻制阶梯轴的一种多工步冷锻工艺。利用FORGE模拟软件分析成形状况及成形力，讨论了锻件图中各工艺参数的制订原则、坯料制备、工步选定和设备选择；给出了各冷锻工步的锻件工序图和模具装配图，介绍了模具的工作过程与模具材料的选择。该工艺及模具经生产实践验证，具有较好的经济效益，可供同类锻件开发冷锻工艺时参考。

中间轴是用在轿车变速箱DCT270上的一种传动轴，其材料为20CrNi2MoH，形状尺寸如图1所示。该零件为轴对称形状，图示左侧有一台阶，两端均有缩径，采用常规机械切削方法加工时，材料利用率低，工作效率很低，难以满足生产要求。采用冷锻技术成形该传动轴，成形零件精度高，机械加工量小，可达到图纸要求。

图1 中间轴零件图

中间轴冷锻锻件图设计

该零件结构为轴对称形状，且不复杂；材料为20CrNi2MoH，退火状态硬度≤160HB，强度不高，除左侧大台阶外，其余变形抗力不大；技术要求的尺寸精度和表面粗糙度要求一般，冷锻零件的表面粗糙度可达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的各项要求。按冷锻工艺要求和零件形状所设计锻件图，如图2所示。

中间轴冷锻成形工艺及模拟成形

冷锻工艺方案

观察中间轴锻件图，中间台阶直径为φ67.4 mm，两端最小直径分别为φ47.4mm和φ37mm，两端均有变形，应采用减径挤压。若采用φ67.4mm毛坯一次成形，由直径φ67.4mm变为φ37mm，断面缩减率ε为69.8%。在减径挤压中，这么大的挤压比会造成棒料中间镦粗鼓胀，两端缩径不能成形，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的成形工序分为三步。第1步先用φ48mm的坯料将两端缩径挤出直径为φ44.6mm和φ47mm的台阶，同时将镦粗部分先聚料到φ51mm，断面缩减率ε为13.7%，采用开式镦挤工艺。第2步再将坯料由φ44.6mm挤压到φ41.8mm，断面缩减率ε为12.2%，同时将φ48.2mm和φ51mm部分同时镦粗到φ65mm。第3步将坯料由φ41.8mm挤压到φ37mm，断面缩减率ε为21.6% ，同时将φ65mm采用闭式镦粗的方式镦粗到φ67.4 mm。根据经验入口角选择15°。FORGE模拟的成形工步如图3所示，各工步实物照片如图4所示。

图3 FORGE成形模拟

图4 各工步实物照片

成形模拟及成形力

利用模拟软件验证以上工艺的可行性。

第1序模拟过程中，锻件成形稳定，缩颈成形力在80t左右，聚料镦粗的成形力为270t，成形较好，成形力分配较合理。图5所示为中间轴第1序成形状况及成形力。

第2序模拟过程中，锻件成形稳定，缩颈成形力在82t左右，聚料镦粗的成形力为300t，成形较好，成形力分配较合理。图6所示为中间轴第2序成形状况及成形力。

第3序模拟过程中，锻件成形稳定，缩颈成形力在100t左右，聚料镦粗的成形力将近700t，成形较好，成形力分配较合理。图7所示为中间轴第3序成形状况及成形力。

有限元成形模拟分析

用FORGE软件进行数值模拟，采用Pro/E三维实体软件绘制相关模具、坯料模型，然后保存为STP格式。考虑到模具的弹性变形量相对较小，同时为了简化模拟过程，将模具设置为刚性体，坯料（或锻件）设置为塑性体。又因为是冷挤压锻造，将模具、坯料的初始温度设为室温20℃。模拟分析中材料选用20CrMnTi，退火状态，等网格尺寸值设为1，摩擦文件（与模具）、热交换文件（与模具）设置为中等，储存步长设置1；定义压机为机械压机。成形过程如图8所示。

图5 中间轴第1序成形状况及成形力

图6 中间轴第2序成形状况及成形力

图7 中间轴第3序成形状况及成形力

图8 成形过程模拟

经模拟，可以看出各工序变形均匀稳定，网格没有发生畸变，模具充填充分，锻件形状达到设计要求，心部没有错裂。

球化退火

球化退火是一种常用的热处理工艺，主要适用于各种高碳工具钢。球化退火目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并为后面的工艺做准备。本文将20CrNi2MoH合金结构钢采用球化退火工艺，用台车式电阻炉进行工艺试验。

加热温度为影响球化退火质量的首要条件。若加热温度过高，则碳化物溶解太多，奥氏体成分均匀，这将减少球化核心，退火后易获得片状珠光体。若加热温度太低，则碳化物溶解，甚至可能使珠光体中的部分片状碳化物保留下来，使钢材退火后硬度偏高。

保温时间必须合适。若保温时间过长，则得到的球化组织不均匀，若保温时间过短，则原始组织中的片状碳化物难以破碎，都达不到良好的球化效果。

冷却速度直接影响碳化物的颗粒大小和均匀性。当加热温度一定时，冷却速度小，奥氏体向珠光体转变时在高温区经历的时间就长，因而析出的碳化物进行聚集的时间充分，形成的碳化物颗粒较大。反之，冷却速度大，碳化物便来不及聚集长大，因而得到的是细粒状组织，硬度偏高。

经过多次试验，最后确定出，20CrNi2MoH的球化退火工艺如表1所示。

表1 球化退火工艺

实际球化退火得到组织中，除得到大量小球状、点状珠光体外，还有少量片状珠光体分布在铁素体基体上。多次试验证明，合金钢想得到全部的球状珠光体非常困难，总是存在少量片状珠光体，但总体看来，金相组织全部属于球状珠光体组织。

输入轴冷锻模具结构

生产中我们采用通用冷锻模架，预成形和终成形工序的模芯结构简图分别如图9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。凹模内芯材料一般采用基体钢YXR3材料涂层（调质，58～60HRC），外套采用H13材料（调质，43～45HRC），凹模顶杆采用Cr12MoV材料（调质58～60HRC）。组合凹模受力较大的地方采用典型的2层预应力结构，受力不大的地方采用单层预应力结构。