我公司開發了一款自動擋轎車變速器中間軸，材料采用20CrNi2MoH，毛坯成形初期采用熱鍛工藝。通過試制我們發現：毛坯余量過大，毛坯精度差，不能直接上線加工，需要先粗加工成半成品方能上線；且預處理造成內在組織均勻性變化大，花鍵滾軋精度難以保證。通過分析，采用冷鍛工藝可以滿足毛坯成形需求，其精度能保證余量直接上線加工。冷鍛毛坯圖如圖1所示。

模型的建立

創建新工程

打開FORGE NxT1.0主窗口，在前處理模塊【GLPre】選項中，選擇【新建工程】。將【工程名稱】改為“中間軸冷擠壓”，然后單擊【確定】，打開【新建動畫】對話框，選擇【Template Mode】，選擇“3D only”，選擇【3D_冷鍛_.tst】，將【模擬名稱】“3D_冷鍛_.tst”改為“減徑1”。

圖1 冷鍛毛坯圖

坯料網格劃分

在前處理界面選擇“對象”，選擇“坯料”，單擊【網格文件】中“..”，打開文件瀏覽目錄，導入坯料的STL模型，本例為“bille-stl”。選擇“對象”，選擇“坯料”。在工具欄單擊“相框顯示”命令顯示坯料STL網格，如圖2所示。初始的坯料STL網格比較粗糙，為此需要重新細化。單擊工具欄中“面網格”STL網格劃分，在彈出設定對話框中保持默認選項，單擊【確定】，重新細化的坯料STL網格，如圖3所示。

圖2 坯料的原始STL網格

圖3 坯料重新細化的STL網格

模具位置

調整模具位置與坯料接觸，在“對象”欄選擇“上?！保瑔螕糇儞Q命令，在彈出的【變換】對話框中選擇【位移】，在【隨向量移動對象】欄輸入向量（0，100，0），即沿y軸向上移動100mm。然后單擊調節命令，【調節到對象】選擇“坯料”，在【向量】欄輸入（0，-1，0），即沿y軸負方向移動與坯料接觸。同理，選擇“下?！保ㄟ^單擊調節命令，在【調節到對象】選擇坯料，在【向量】欄輸入（0，1，0），沿y軸正向調整和坯料接觸，模具位置調整后，結果如圖4所示。

圖4 工件和模具位置

計算參數設置

選擇“對象”欄，選擇“上?！保缓髥螕簟皩傩浴保x擇“定義壓機”，在【壓機文件】欄，選擇設備類型液壓機，將【初始高度】改為172.357mm，【最終高度】為12mm，【速度】為40mm/s，【停留力】為500t。單擊【模擬】下拉菜單中的【預覽運動學】，預覽上模運動情況。

檢查及保存數據

在工具欄中單擊“保存”命令進行保存，彈出【數據文件預覽】對話框，檢查設置數據無誤，單擊【保存數據文件】，保存完成后退出前處理界面。

運行計算

打開FORGE啟動器，單擊【當前工程】欄的瀏覽器“..”下拉按鈕，找到前處理保存的文件，選擇“新建工程.tpf”。然后在任務欄中右鍵單擊，在下拉菜單中選擇【快速啟動】，在彈出的對話框中的【過程數】輸入4，單擊【現在啟動】計算。

模擬結果分析

模擬計算完成顯示圖標，單擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選擇【GLview Inova（Blocker）】，打開后處理界面，如圖5所示。

實際生產應用

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圖，如圖6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（調質58～60HRC），外套采用H13材料（調質43～45HRC），凹模頂桿采用Cr12MoV材料（調質58～60HRC）。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。

工藝過程及成形情況

中間軸采用的工藝流程如圖7所示。下料后對棒料進行球化退火，退火后硬度在150～160HB之間。等溫正火后的機加工主要是加工鍛件右側的三個凹槽和銑兩個端面及中心孔。冷擠壓后鍛件及加工件如圖8所示。

圖5 后處理界面

圖6 模具結構圖

圖7 中間軸采用的工藝流程

圖8 冷擠壓成形鍛件及加工件

表1 冷鍛毛坯與熱鍛毛坯車削性能對比

機械加工性能驗證

冷鍛毛坯與熱鍛毛坯車削性能對比見表1。冷擠壓毛坯車削斷屑性能優于熱鍛毛坯，加工無纏屑，有利于自動化及數控車削中心生產線生產；兩種毛坯的表面質量相近，均滿足工序要求。

冷軋花鍵性能

對精車完的軸齒進行花鍵冷軋試驗，觀察齒面形貌、并統計相關輪齒精度，圖9為冷軋花鍵的齒面狀態。花鍵徑跳Fr對比如圖10所示。冷擠壓毛坯滾軋的花鍵成形性比較好，金屬流動正常；花鍵精度及穩定性方面都優于熱鍛毛坯。

結論

圖9 冷擠壓毛坯花鍵形貌

圖10 冷擠壓與熱鍛毛坯搓齒Fr對比

⑴通過仿真計算、模具開發及工藝試驗研究，成功開發出轎車變速器的軸齒零件冷擠壓成形毛坯。

⑵冷鍛毛坯近凈成形，提升材料利用率，降低切削加工余量，實現材料與工藝降成本。

⑶冷鍛毛坯的熱前加工特性優于“熱鍛+等溫正火”，能夠獲得良好穩定的熱前齒輪精度和花鍵精度。

⑷冷鍛毛坯內在質量適合高速數控銑的應用。

⑸冷鍛毛坯熱處理變形可控及穩定，可以實現熱前反向補償。

本文節選自《鍛造與沖壓》2018年第15期。