文/王黎，周煊·上海汽車(chē)變速器有限公司

變速箱軸類(lèi)零件冷鍛成形技術(shù)

文/王黎，周煊·上海汽車(chē)變速器有限公司

王黎，工程師，主要從事精密鍛造設(shè)計(jì)工作，獲2012年度《上汽技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)》二等獎(jiǎng)，獲得1項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利、2項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利。

冷鍛近凈成形是一種先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，采用該工藝生產(chǎn)產(chǎn)品可提高鍛件精度、提高材料利用率、減少機(jī)加工余量、節(jié)約生產(chǎn)成本。本文對(duì)軸類(lèi)零件的凈成形工藝進(jìn)行研究，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，解決了軸類(lèi)零件冷鍛過(guò)程中容易產(chǎn)生折疊、充填不滿(mǎn)、變形力過(guò)大等問(wèn)題。

技術(shù)方案論證

軸類(lèi)零件是變速箱中的關(guān)鍵部件，具有高轉(zhuǎn)速和傳遞高扭矩的特點(diǎn)。因此其質(zhì)量的好壞將直接影響變速箱的質(zhì)量。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是多臺(tái)階，機(jī)加工量大，材料利用率很低；鍛件表面精度高，模鍛難度大。開(kāi)發(fā)冷鍛自動(dòng)線生產(chǎn)變速箱軸類(lèi)零件，配備后續(xù)數(shù)控機(jī)加工自動(dòng)線，成為最高效、節(jié)材的軸類(lèi)零件先進(jìn)制造工藝之一。

軸類(lèi)冷鍛傳統(tǒng)工藝流程包括下料→等溫正火→噴丸→磷皂化→車(chē)小頭→鐓粗→縮頸1→縮頸2→縮頸3→縮頸4→縮頸5→鋸頭→探傷→校直。從該工藝流程可以看出，傳統(tǒng)的冷鍛工藝流程長(zhǎng)，材料利用率低，設(shè)備投入多，物流成本高，因而生產(chǎn)成本也較高。同時(shí)，傳統(tǒng)工藝精度比較低，校直后軸的同軸度≤1mm。而且校直后鍛件會(huì)有彈性變形，會(huì)直接影響到后續(xù)的熱處理變形，使得成品的同軸度較差，影響最終產(chǎn)品的精度要求。

軸類(lèi)冷鍛新工藝流程包括下料→等溫正火→噴丸→磷皂化→縮頸1、2→鐓粗、縮頸3、4(包括預(yù)鐓)→縮頸5→鋸頭→探傷。與老工藝相比，新工藝的工步少、流程短，縮頸與鐓粗工步在一臺(tái)設(shè)備上完成，效率高、精度高，鍛件同軸度≤0.5mm，無(wú)需校直。因此鍛件流線通暢完整，后續(xù)熱處理變形小，成品質(zhì)量高。

技術(shù)特征和總體性能指標(biāo)

工藝方案的制定

某轎車(chē)變速箱中的倒擋軸最大外徑為69mm，最小外徑為28mm，多臺(tái)階變形量大，成形困難。鍛件質(zhì)量為2.13kg，坯料選用5120H，直徑為φ45mm。在自由鐓粗中，當(dāng)坯料的初始高度是直徑的2.5倍時(shí)，由于材料失穩(wěn)，會(huì)導(dǎo)致坯料彎曲，從而形成折疊缺陷。而該倒擋軸最大外徑部位的重量為1.43kg，此部位坯料長(zhǎng)度為114.1mm，因此長(zhǎng)徑比達(dá)到2.53，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出合理的鐓粗長(zhǎng)徑比。為了預(yù)防鍛造缺陷的產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)分析研究，我們決定對(duì)坯料進(jìn)行兩次預(yù)鐓。因此該倒擋軸的冷鍛工藝流程為縮頸→縮頸、預(yù)鐓1→縮頸、預(yù)鐓2→縮頸、鐓粗→縮頸，如圖1所示。第一次預(yù)鐓后，長(zhǎng)徑比下降到2.2以下，第二次預(yù)鐓時(shí)，改變形狀形成錐形，使坯料進(jìn)一步趨于穩(wěn)定，在第4工步鐓粗時(shí)就能確保坯料不發(fā)生彎曲變形。

圖1 冷鍛工藝方案

冷鍛工藝模擬優(yōu)化

根據(jù)制定的冷鍛工藝方案，借助Deform-3D軟件對(duì)倒擋軸成形部分進(jìn)行有效應(yīng)力的過(guò)程模擬（圖2）。在模型求解時(shí)，選用稀疏矩陣求解器并采用Newton-Raphson迭代法，從而提高求解效率。本模擬成形溫度為20℃，摩擦系數(shù)選取為0.05。

工步2中，縮頸加預(yù)鐓1因上模斜面的阻力較大，影響材料的流動(dòng)，導(dǎo)致上端頂部的擠出高度只有3～4mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工藝要求的13.7mm，擠壓力也超出預(yù)期，達(dá)到440t。上端尺寸不到位，雖然不會(huì)直接影響后續(xù)的成形，但卻導(dǎo)致了后續(xù)擠壓力的急劇增加，影響模具的使用壽命，如圖3所示。

圖2 冷鍛工藝方案模擬圖

圖3 工步2縮頸、預(yù)鐓1

從圖4可以看出因上道工步的原因，導(dǎo)致工步3負(fù)載進(jìn)一步上升，達(dá)到將近600t，并且還會(huì)出現(xiàn)坯料充不滿(mǎn)的情況（圖4中紅圈所標(biāo)示的位置）。從圖5中可以看出，工步5存在的問(wèn)題主要是局部的充填不滿(mǎn)。

圖4 工步3縮頸、預(yù)鐓2

圖5 工步5縮頸

從以上模擬情況可以發(fā)現(xiàn)，原定的冷鍛方案有比較明顯的鍛造缺陷存在，因此需要優(yōu)化來(lái)改進(jìn)既定的方案。優(yōu)化模擬的成形溫度仍為20℃，考慮到一次表面磷皂化處理會(huì)在多道擠壓中產(chǎn)生表面摩擦系數(shù)增大的情況，因此摩擦系數(shù)選取0.1。根據(jù)前期模擬的情況，對(duì)部分工步的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

針對(duì)圖3預(yù)鐓1中產(chǎn)生的上端擠不到位的情況，在工步2上模處增加了工作帶，引導(dǎo)材料流向上端，擠壓力也同步下降，如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的工步2

由于工步2上端坯料擠壓到位，在第3工步時(shí)，擠壓力明顯下降，在430t左右。在工步5縮頸時(shí)，將原來(lái)的45°入模角改為30°后，充不滿(mǎn)情況得到解決，如圖7所示。

圖7 最終鍛件的流線圖

模具的設(shè)計(jì)

軸類(lèi)產(chǎn)品變形量大都超過(guò)70%，成形難度大。因此對(duì)模具的要求也非常高。

⑴為避免棒料失穩(wěn)彎曲，采用多道預(yù)鐓粗成形的措施，預(yù)鐓模具的錐形角度一般在12°左右。

⑵由于軸類(lèi)產(chǎn)品一般都細(xì)長(zhǎng)，從模腔中頂出的距離相應(yīng)也會(huì)較長(zhǎng)，因此非常容易彎曲，造成鍛件的同軸度超差。而由于后道工序直接進(jìn)行精車(chē)加工，機(jī)加工的余量非常少，所以對(duì)于鍛件的各擋同軸度要求非常高，針對(duì)這種情況，模芯設(shè)計(jì)了多工作帶結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品同軸度的同時(shí)，也防止了頂出彈跳。

⑶對(duì)各成形模分別設(shè)計(jì)了不同層數(shù)的預(yù)應(yīng)力圈，以提高模具強(qiáng)度，從而提高模具壽命。兩層組合凹模的強(qiáng)度是整體式凹模的1.3倍，三層組合凹模的強(qiáng)度是整體凹模的強(qiáng)度的1.8倍，各凹模根據(jù)各工位的成形力，分別設(shè)計(jì)了2～3層結(jié)構(gòu)。

⑷模芯材料選用超硬合金，并采用氮化表面處理，提高模具的耐磨性和穩(wěn)定性。

圖8 整體式模具

⑸模具采用整體式結(jié)構(gòu)（圖8），所有模芯均裝入通用性很強(qiáng)的模座中，既利于鍛件同軸度的控制，又便于模具的更換與拆裝，提高了工作效率。

模架的設(shè)計(jì)

五工位模架采用四組長(zhǎng)行程精密滾珠導(dǎo)套、導(dǎo)柱和導(dǎo)向，如圖9所示，其導(dǎo)柱與導(dǎo)套間采用零碰零配合，精度非常高。五個(gè)工位均設(shè)計(jì)偏心圈，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)上下模中心，保證各工位上下模的同軸度。模架五工位均設(shè)計(jì)斜楔裝置，可獨(dú)立調(diào)整第1～5工位高度，調(diào)整量為5mm，確保自動(dòng)化操作時(shí)五個(gè)工位封閉高度的一致性。五工位模具生產(chǎn)的鍛件如圖10所示。

模架配備了連接模具內(nèi)吹屑功能的接口，確保生產(chǎn)過(guò)程中垃圾的自動(dòng)清理。同時(shí)由于冷鍛時(shí)，坯料變形速度快，發(fā)熱量大，故設(shè)計(jì)了模具的噴淋潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)，生產(chǎn)中對(duì)模具自動(dòng)噴淋潤(rùn)滑油循環(huán)使用，補(bǔ)充坯料磷皂化的不足。模座采用錐面液壓鎖緊裝置，防止在高負(fù)荷狀態(tài)下模座的松動(dòng)，確保穩(wěn)定性和安全性。

圖9 五工位模架圖

圖10 五工位模具生產(chǎn)的鍛件

表1 倒擋軸常規(guī)生產(chǎn)與自動(dòng)線生產(chǎn)比較

存在問(wèn)題

整體式的模具對(duì)于制造要求非常高，模具的制造成本也相應(yīng)提高，對(duì)降低產(chǎn)品成本有一定的影響。自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)的潤(rùn)滑和冷卻非常重要，潤(rùn)滑冷卻不好，將嚴(yán)重影響模具的使用壽命；因此在生產(chǎn)中需時(shí)刻保持潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的正常工作，也需要進(jìn)一步的改進(jìn)與提高。自動(dòng)化程度高，對(duì)于設(shè)備和機(jī)械手的維護(hù)保養(yǎng)提出了更高要求。模具的調(diào)整非常重要，直接關(guān)系到鍛件的整體質(zhì)量，調(diào)整工技能的掌握還需進(jìn)一步提高。

結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)工藝相比，精密冷鍛技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

⑴模具與模架的先進(jìn)性保證了鍛件的精密性，鍛件的質(zhì)量得到了明顯地提高。

⑵精密鍛造可以減少機(jī)加工余量，單邊加工余量在0.5mm，鍛造后可直接進(jìn)行精車(chē)，節(jié)約原材料、降低產(chǎn)品制造成本。

⑶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率顯著提高。

⑷軸類(lèi)零件是變速箱內(nèi)的關(guān)鍵零件，市場(chǎng)需求量大，該技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)必將帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，見(jiàn)表1。

綜上所述，采用大公稱(chēng)力冷鍛壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)精密軸類(lèi)鍛件，可提高原材料的利用率、縮短工藝流程、提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品精度和質(zhì)量，是一項(xiàng)應(yīng)用前景非常廣闊的新工藝新技術(shù)，對(duì)上海乃至全國(guó)的汽車(chē)零部件產(chǎn)業(yè)具有促進(jìn)作用，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技進(jìn)步具有重要意義，值得大力推廣。