中間軸是用在轎車變速箱DCT270上的一種傳動軸，其材料為20CrNi2MoH，形狀尺寸如圖1所示。該零件為軸對稱形狀，圖示左側有一臺階，兩端均有縮徑，采用常規(guī)機械切削方法加工時，材料利用率低，工作效率很低，難以滿足生產要求。采用冷鍛技術成形該傳動軸，成形零件精度高，機械加工量小，可達到圖紙要求。

圖1 中間軸零件圖

中間軸冷鍛鍛件圖設計

該零件結構為軸對稱形狀，且不復雜；材料為20CrNi2MoH，退火狀態(tài)硬度≤160HB，強度不高，除左側大臺階外，其余變形抗力不大；技術要求的尺寸精度和表面粗糙度要求一般，冷鍛零件的表面粗糙度可達Ra=0.8～0.4μm，公差等級在IT8～IT7，故冷鍛工藝完全可滿足該零件的各項要求。按冷鍛工藝要求和零件形狀所設計鍛件圖，如圖2所示。

圖2 中間軸冷鍛鍛件圖

中間軸冷鍛成形工藝及模擬成形

冷鍛工藝方案

觀察中間軸鍛件圖，中間臺階直徑為φ67.4mm，兩端最小直徑分別為φ47.4mm和φ37mm，兩端均有變形，應采用減徑擠壓。若采用φ67.4mm毛坯一次成形，由直徑φ67.4mm變?yōu)棣?7mm，斷面縮減率ε為69.8% ，在減徑擠壓中，這么大的擠壓比會造成棒料中間鐓粗鼓脹，兩端縮徑不能成形，且易產生裂紋，采用其他直徑的棒料一次成形也非常困難。所以經過計算和分析將該零件的成形工序分為三步。第1步先用φ48mm的坯料將兩端縮徑擠出直徑為φ44.6mm和φ47mm的臺階，同時將鐓粗部分先聚料到φ51mm，斷面縮減率ε為13.7%，采用開式鐓擠工藝。第2步再將坯料由φ44.6mm擠壓到φ41.8mm，斷面縮減率ε為12.2%，同時將φ48.2mm和φ51mm部分同時鐓粗到φ65mm。第3步將坯料由φ41.8mm擠壓到φ37mm，斷面縮減率ε為21.6% ，同時將φ65mm采用閉式鐓粗的方式鐓粗到φ67.4 mm。根據經驗入口角選擇15°。FORGE模擬的成形工步如圖3所示，各工步實物照片如圖4所示。

 

圖3 FORGE成形模擬

圖4 各工步實物照片

成形模擬及成形力

利用模擬軟件驗證以上工藝的可行性。

第1序模擬過程中，鍛件成形穩(wěn)定，縮頸成形力在80t左右，聚料鐓粗的成形力為270t，成形較好，成形力分配較合理。圖5所示為中間軸第1序成形狀況及成形力。

圖5 中間軸第1序成形狀況及成形力

第2序模擬過程中，鍛件成形穩(wěn)定，縮頸成形力在82t左右，聚料鐓粗的成形力為300t，成形較好，成形力分配較合理。圖6所示為中間軸第2序成形狀況及成形力。

圖6 中間軸第2序成形狀況及成形力

第3序模擬過程中，鍛件成形穩(wěn)定，縮頸成形力在100t左右，聚料鐓粗的成形力將近700t，成形較好，成形力分配較合理。圖7所示中間軸第3序成形狀況及成形力。

 

圖7 中間軸第3序成形狀況及成形力

有限元成形模擬分析

用FORGE軟件進行數值模擬，采用Pro/E三維實體軟件繪制相關模具、坯料模型，然后保存為STP格式?？紤]到模具的彈性變形量相對較小，同時為了簡化模擬過程，將模具設置為剛性體，坯料（或鍛件）設置為塑性體。又因為是冷擠壓鍛造，將模具、坯料的初始溫度設為室溫20℃。模擬分析中材料選用20CrMnTiTempo，退火狀態(tài)，等網格尺寸值設為1，摩擦文件（與模具）、熱交換文件（與模具）設置為中等，儲存步長設置1；定義壓機為機械壓機。成形過程如圖8所示。

         

  (a)坯料     (b)成形1       (c)成形2      (d)終成形

圖8 成形過程模擬

經模擬，可以看出各工序變形均勻穩(wěn)定，網格沒有發(fā)生畸變，模具充填充分，鍛件形狀達到設計要求，芯部沒有錯裂。

球化退火

球化退火是一種常用的熱處理工藝，主要適用于各種高碳工具鋼。球化退火目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并為后面的工藝做準備。本文將20CrNi2MoH合金結構鋼采用球化退火工藝，用臺車式電阻爐進行工藝試驗。

加熱溫度為影響球化退火質量的首要條件。若加熱溫度過高，則碳化物溶解太多，奧氏體成分均勻，這將減少球化核心，退火后易獲得片狀珠光體。若加熱溫度太低，則碳化物溶解，甚至可能使珠光體中的部分片狀碳化物保留下來，使鋼材退火后硬度偏高。

保溫時間必須合適。若保溫時間過長，則得到的球化組織不均勻，若保溫時間過短，則原始組織中的片狀碳化物難以破碎，都達不到良好的球化效果。

冷卻速度直接影響碳化物的顆粒大小和均勻性。當加熱溫度一定時，冷卻速度小，奧氏體向珠光體轉變時在高溫區(qū)經歷的時間就長，因而析出的碳化物進行聚集的時間充分，形成的碳化物顆粒較大。反之，冷卻速度大，碳化物便來不及聚集長大，因而得到的是細粒狀組織，硬度偏高。

經過多次試驗，最后確定出，20CrNi2MoH的球化退火工藝如表1所示。

表1 球化退火工藝

實際球化退火得到組織中，除得到大量小球狀，點狀珠光體外，還有少量片狀珠光體分布在鐵素體集體上。多次試驗證明，合金鋼想得到全部的球狀珠光體非常困難，總是存在少量片狀珠光體，但總體看來，金相組織全部屬于球狀珠光體組織。

輸入軸冷鍛模具結構

生產中我們采用通用冷鍛模架，預成形和終成形工序的模芯結構簡圖分別如圖9所示。凹模結構均采用組合式凹模，凹模與外套采用過盈配合，以施加預緊力，減少冷鍛時模具開裂。凹模內芯材料一般采用基體鋼YXR3材料涂層（調質HRC58~60），外套采用H13材料（調質HRC43~45），凹模頂桿采用Cr12MoV材料（調質HRC58~60）。組合凹模受力較大的地方采用典型的2層預應力結構，受力不大的地方采用單層預應力結構。

（a）預成形模芯結構          （b）終成形模芯結構

圖9 中間軸冷擠壓模具結構圖

工藝過程及成形情況

汽車中間軸所采用的工藝流程為：下料→軟化處理→噴丸→制坯→潤滑處理→三工步冷鍛成形→清理→探傷→終檢入庫。下料后對棒料進行球化退火，退火后硬度在HB150～160之間。鍛件的晶粒度≥5級，實際檢驗為7級，冷擠壓后鍛件圖及加工圖如圖10所示。

（a）冷擠鍛件                      （b）冷擠加工件          

圖10 冷擠壓成形鍛件圖

結論

⑴用冷擠壓工藝生產汽車中間軸鍛件工藝可靠，材料利用率高。

⑵采用FORGE模擬軟件分析產品成形情況比較接近實際，擠壓后鍛件尺寸穩(wěn)定，表面光潔度高。

——本文節(jié)選自《鍛造與沖壓》2018年第3期