轎車變速器齒輪軸的冷擠壓成形技術(shù)研究

桂安朋

中間軸是轎車變速器上的一種齒輪軸，材料為20CrMnTiH，如圖1所示。該零件直徑最大臺(tái)階為分模面，左側(cè)有一臺(tái)階，另一端有四個(gè)臺(tái)階，如果采用常規(guī)機(jī)械加工時(shí)，工時(shí)長(zhǎng)、效率低且材料浪費(fèi)很大，產(chǎn)品壽命低，不能滿足精益生產(chǎn)要求。采用冷鍛技術(shù)成形該齒輪軸，成形零件精度高，切削加工量小，可達(dá)到圖樣技術(shù)要求。

1.中間軸冷鍛鍛件圖設(shè)計(jì)

該零件結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱形狀，材料20CrMnTiH，除最大臺(tái)階外，其余變形抗力不大；圖示臺(tái)階尺寸可以通過(guò)冷鍛成形工藝來(lái)完成，且技術(shù)要求的尺寸精度和表面粗糙度要求一般，冷鍛零件表面粗糙度可達(dá)Ra=0.8～0.4μm，公差等級(jí)在IT8～I(xiàn)T7，故冷鍛工藝完全可滿足該零件各項(xiàng)要求。按冷鍛工藝要求和零件形狀所設(shè)計(jì)鍛件圖，如圖2所示。

2.中間軸冷鍛成形工藝及模擬成形

（1）冷鍛工藝方案 原材料20CrMnTiH，φ50mm熱軋棒料，鋸切下料，下料長(zhǎng)度（287+0.5）mm；球化退火狀態(tài)硬度140～150HBW；磨外圓、平兩頭，將棒料磨到φ（49+0.1）mm、長(zhǎng)為277.5mm，為去除材料表面裂紋，控制毛坯外徑與重量；磷化皂化處理。

觀察中間軸鍛件圖，中間臺(tái)階直徑最大，兩端都有直徑小的臺(tái)階，應(yīng)采用開(kāi)式擠壓。若采用φ80.5mm毛坯一次成形，由φ80.5mm變?yōu)棣?7mm，斷面縮減率為ε=（80.52－372）÷80.52×100%=78.9%，開(kāi)式擠壓中，這么大的擠壓 比會(huì)造成棒料中間鼓脹，兩端縮徑不能完成，且易產(chǎn)生裂紋；采用其他直徑的棒料一次成形也非常困難。所以經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析將該零件成形工序分為3步。

第1步先用φ49mm坯料將兩端減徑擠出φ42mm和φ45mm的臺(tái)階，同時(shí)將鐓粗部分先聚料到φ55mm，斷面縮減率分別為ε=（492－422）÷492×100%=26.5%，ε=（492－452）÷492×100%=15.7%，采用閉式鐓擠工藝。

第2步再將坯料由φ45mm減徑擠壓到φ42mm，斷面縮減率為ε=（452－422）÷452×100%=12.9%，同時(shí)將φ49mm和φ55mm同時(shí)鐓粗到φ58mm。

第3步將坯料由φ42mm減徑擠壓到φ37mm，斷面縮減率為ε=（422－372）÷422×100%=22.4%，同時(shí)將φ58mm采用閉式擠壓方式鐓粗到φ58.5mm和φ80.5mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們?nèi)肽＝沁x擇15°。工步如圖3所示。

圖1 中間軸零件

圖2 中間軸冷鍛鍛件

（2）成形模擬及成形力 利用模擬軟件驗(yàn)證以上工藝可行性。第1序模擬過(guò)程中，鍛件成形穩(wěn)定，成形力為2800kN，成形較好，成形力分配較合理。第2序模擬過(guò)程中，鍛件成形穩(wěn)定，成形力為2600kN，成形較好，成形力分配較合理。第3序模擬過(guò)程中，鍛件成形穩(wěn)定，成形力將近9600kN，成形較好，成形力分配較合理（見(jiàn)圖4～圖6）。

3.輸入軸冷鍛模具結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)中采用通用冷鍛模架，如圖7所示。凹模結(jié)構(gòu)均采用組合式凹模，凹模與外套采用過(guò)盈配合，以施加預(yù)緊力，減少冷鍛時(shí)模具開(kāi)裂。凹模模腔材料一般采用Cr12MoV或硬質(zhì)合金材料，外套采用5CrNiMo或H13材料，冷鍛沖頭也采用Cr12MoV材料。組合凹模受力較大地方采用典型的2層預(yù)應(yīng)力套結(jié)構(gòu)，受力不大的地方采用單層預(yù)應(yīng)力套結(jié)構(gòu)。

4.工藝過(guò)程及成形情況

汽車中間軸所采用的工藝流程為：下料→扒皮→球化退火→拋丸→磷化皂化→三工步冷鍛成形→等溫正火→機(jī)加工→磁粉檢測(cè)→終檢入庫(kù)。等溫正火后機(jī)加工主要是加工鍛件徑向尺寸和銑兩個(gè)端面及中心孔。冷鍛后鍛件如圖8所示。

5.結(jié)語(yǔ)

（1）用冷擠壓工藝生產(chǎn)汽車中間軸鍛件工藝可靠，材料利用率高，產(chǎn)品使用壽命高。

（2）采用AFDEX模擬軟件分析產(chǎn)品成形情況比較接近實(shí)際，擠壓后鍛件尺寸穩(wěn)定，表面粗糙度值低。

圖3 中間軸工步

圖4 中間軸第1序成形狀況及成形力

圖5 中間軸第2序成形狀況及成形力

圖6 中間軸第3序成形狀況及成形力

圖7 中間軸冷鍛模具結(jié)構(gòu)

圖8 冷鍛成形鍛件