简单分析轿车变速器中间轴的冷挤压成形技术

通过本文可知，采用冷挤压工艺生产汽车中间轴锻件能够实现可靠的工艺，并且提高材料利用率。同时，采用FORGE模拟软件来分析产品成形情况相对更接近实际，挤压后锻件尺寸稳定，表面光洁度高。

中间轴是用在轿车变速器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。


图2 中间轴冷锻锻件图

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φ67.4mm，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。


图5 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。


图6 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20CrMnTiTempo，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。



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，芯部没有错裂。

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。



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集体上。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HRC58~60），外套采用H13材料（调质HRC43~45），凹模顶杆采用Cr12MoV材料（调质HRC58~60）。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。



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→软化处理→喷丸→制坯→润滑处理→三工步冷锻成形→清理→探伤→终检入库。下料后对棒料进行球化退火，退火后硬度在HB150～160之间。锻件的晶粒度≥5级，实际检验为7级，冷挤压后锻件图及加工图如图10所示。



总结

⑴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。

⑵采用FORGE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，表面光洁度高。