楔橫軋鍛件常見(jiàn)缺陷及解決方案

文/桂安朋·一汽鍛造（吉林）有限公司

楔橫軋鍛件常見(jiàn)缺陷及解決方案

文/桂安朋·一汽鍛造（吉林）有限公司

楔橫軋工藝是一項(xiàng)少無(wú)切削加工的新技術(shù)，它以連續(xù)、局部小變形量的成形方式，在臺(tái)階軸和回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件的制造方面取得了很好的市場(chǎng)效益和社會(huì)效益，與傳統(tǒng)的切削、鍛造工藝相比，具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約材料、勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理為：兩個(gè)帶楔形模具的軋輥，以相同的方向旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)圓形軋件旋轉(zhuǎn)，軋件在楔形孔的作用下被軋制成各種形狀的臺(tái)階軸類(lèi)件，如圖1所示。楔橫軋的變形主要是徑向壓縮、軸向延伸。

圖1 楔橫軋成形原理

圖2 變速箱軸鍛件圖

楔橫軋作為一種精密成形工藝，已廣泛地應(yīng)用于臺(tái)階軸類(lèi)件的生產(chǎn)，但由于其成形機(jī)理較為復(fù)雜，這項(xiàng)工藝仍然存在一些常見(jiàn)的問(wèn)題，如截齊曲線(xiàn)、螺旋壓痕、形狀精度、表面缺陷等，到目前為止，還很少有專(zhuān)門(mén)的文章來(lái)論述楔橫軋工藝產(chǎn)生的缺陷。但在實(shí)際生產(chǎn)中這些缺陷的存在常常使鍛件質(zhì)量難以保證、合格率下降，造成原材料的浪費(fèi)。本文把生產(chǎn)實(shí)踐中提出的問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和部分試驗(yàn)相結(jié)合的方法，得出軋件直徑尺寸變化對(duì)產(chǎn)生缺陷的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)并檢驗(yàn)得出實(shí)際的方法以解決這些缺陷，為今后的模具設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

設(shè)計(jì)楔橫軋鍛件圖

圖2為變速箱軸鍛件，該鍛件所選用材料牌號(hào)為20CrMoH，最大臺(tái)階直徑和最小臺(tái)階直徑尺寸相差很大，斷面收縮率Z超過(guò)了75%，采用在同一軋輥模具上兩次楔入軋制方案，即每次楔入軋制的斷面收縮率Z小于75%，可以一次軋制成形。

鍛件按整體單邊余量為2.5mm設(shè)計(jì)，允許未充滿(mǎn)圓角R小于4mm，中間鋸口余量為4mm，采用直徑φ130mm的料段進(jìn)行對(duì)稱(chēng)軋制，對(duì)稱(chēng)力軋制軋件不會(huì)出現(xiàn)由于軸向力不等而竄動(dòng)及切向力不等而扭曲等不良現(xiàn)象。

變速箱軸楔橫軋工藝流程為：下料→中頻感應(yīng)加熱→軋制→校正→鋸切→清理→探傷→終檢入庫(kù)，如圖3所示。在軋制過(guò)程中，生產(chǎn)節(jié)拍控制在15s/件，出料口棒料溫度控制在1250℃，注意兩根棒料端頭是否有粘結(jié)，生產(chǎn)中需控制軋輥模具溫度和冷卻水水量大小。

圖3 變速箱軸楔橫軋工藝流程圖

圖4 內(nèi)直角臺(tái)階塌角

圖5 鍛件不圓度超差位置

圖6 鍛件整形段示意圖

圖7 生產(chǎn)的鍛件

軋制過(guò)程中常見(jiàn)缺陷及解決方案

直角臺(tái)階塌角

調(diào)試變速箱軸過(guò)程中發(fā)現(xiàn)直徑φ130mm的內(nèi)直角臺(tái)階塌角問(wèn)題（圖4），該臺(tái)階直徑尺寸為料段原始直徑。在調(diào)試其他軸類(lèi)產(chǎn)品過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)該類(lèi)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)仔細(xì)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在小直徑軋件中塌角并不明顯，基本不影響形狀精度，而隨直徑的增大，塌角尺寸也隨著增大。

塌角在模具的楔入段形成，原因是由于與之相鄰凹槽部位的金屬變形，拉動(dòng)該臺(tái)階段金屬向外流動(dòng)，導(dǎo)致充滿(mǎn)該型槽的金屬料不足，塌角問(wèn)題也就隨之產(chǎn)生；現(xiàn)場(chǎng)解決塌角缺陷，主要手段是用砂輪機(jī)打磨模具楔入段以延長(zhǎng)模具的軋齊曲線(xiàn)長(zhǎng)度和增加整形段。

臺(tái)階直徑不圓度超差

在該變速軸軋制過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了不圓度超差問(wèn)題，與原始料段直徑相同的臺(tái)階在測(cè)量直徑時(shí)，從不同的角度測(cè)出的值不同。圖5所示的軋件，直徑為130mm、寬度為37mm處的臺(tái)階在軋制后出現(xiàn)不圓度超差問(wèn)題，差值最大可以達(dá)到3mm，這已經(jīng)超出正常的公差允許范圍，并且給后續(xù)機(jī)加工帶來(lái)困難。

不圓度的產(chǎn)生是因?yàn)檐埣谛M軋軋制過(guò)程中，直徑未變化部分雖與模具脫開(kāi)，但受其他臺(tái)階軋制部位的影響，也有應(yīng)力作用，從而金屬有少量流動(dòng)，造成形狀改變。即使加入一段普通的整形段，由于軋件橫截面為非圓截面（近似為一橢圓），整形時(shí)，這一橢圓截面在一對(duì)上下輥面距離不變的模具作用下旋轉(zhuǎn)，而材料在半開(kāi)式狀態(tài)下變形，軸向沒(méi)有金屬流動(dòng)，只是在橫截面內(nèi)流動(dòng)。所以其最終整形后的軋件截面形狀永遠(yuǎn)為非圓截面，如圖6所示。

當(dāng)受模具作用時(shí)，縱向尺寸b為要求直徑，但橫向沒(méi)有模具束縛，必然有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，所以橫向尺寸a就會(huì)大于b，形成一個(gè)類(lèi)似橢圓的橫截面形狀。隨著軋件直徑的增大，不圓度也明顯增大?，F(xiàn)場(chǎng)解決不圓度超差缺陷，主要手段是調(diào)節(jié)軋機(jī)中心距、檢查上下輥模具型槽對(duì)正情況及相位、用砂輪機(jī)打磨模具楔入段以延長(zhǎng)模具的軋齊曲線(xiàn)長(zhǎng)度和增加整形段。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于直徑為130mm的工件，塌角尺寸降為0.3mm，不圓度差值減小至0.6mm左右，大大小于一般公差最大值，滿(mǎn)足鍛件要求。證明了這種修模方案的可行性。該方案生產(chǎn)的鍛件如圖7所示。

結(jié)束語(yǔ)

零件軋制是冶金軋制的創(chuàng)新領(lǐng)域。零件軋制具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、生產(chǎn)環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)，以大量取代模鍛方法生產(chǎn)鍛件。由于零件軋制通用性不強(qiáng)，所以建立零件軋制專(zhuān)業(yè)化工廠(chǎng)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)軸類(lèi)件生產(chǎn)，是未來(lái)近凈成形發(fā)展的一個(gè)方向。