變速器二軸齒輪鍛造折疊缺陷的原因分析及解決

文／高原·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

折疊是鍛造生產(chǎn)中一種常見的缺陷，由高溫下已氧化的金屬表層局部匯合在一起壓入鍛件內(nèi)部形成。在機(jī)械加工后的表面，外觀上一般難區(qū)分折疊和裂紋，但折疊尾部一般呈圓鈍，折疊區(qū)域兩側(cè)金屬通常還會存在氧化和明顯的脫碳現(xiàn)象。折疊破壞了鍛件表面的完整性，殘留在零件表面形成應(yīng)力集中點(diǎn)，容易導(dǎo)致零件在使用中斷裂失效。

折疊缺陷發(fā)現(xiàn)

我公司某齒輪加工車間加工一批某變速器二軸二擋齒輪零件(以下簡稱“二軸齒輪”)，材料為20CrMnTi，在滲碳淬火后硬車安裝定位端面時，發(fā)現(xiàn)部分零件在靠近內(nèi)孔處有沿圓周方向分布的疑似折疊的缺陷，缺陷的位置、外觀如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 折疊位置

圖2 缺陷局部

圖3 折疊在鍛件中對應(yīng)位置

圖4 腐蝕前后缺陷特征(100×)

沿徑向切開斷口，在金相顯微鏡(100×)下觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域有夾雜物，末端圓鈍，不符合淬火裂紋特征，用硝酸酒精溶液腐蝕后，兩側(cè)金屬經(jīng)過滲碳淬火工序已經(jīng)無從判斷是否曾經(jīng)脫碳(圖4)，但已經(jīng)可以判斷是典型的鍛造折疊缺陷。帶有折疊缺陷的零件約占6%，由于無法返修只能全部報廢，廢品率非常高。

產(chǎn)生原因

二軸齒輪的鍛件鍛造工藝流程：帶鋸機(jī)下料(φ85mm圓鋼)→中頻感應(yīng)爐加熱→程控錘上鐓粗、成形，鑲塊模如圖5 所示。

圖5 鑲塊模

一般的變速箱齒輪鍛件在鍛造過程中能導(dǎo)致折疊的因素有三種情況。

①鋼材表面的折縫、折疊缺陷殘留在鍛件表面形成折疊；

②下料產(chǎn)生的坯料端面切斜、端面彎曲或帶毛刺、端面凹心或凸起；

③鍛造成形時各種因素導(dǎo)致的金屬發(fā)生對流、回流等不正常流動造成折疊。

鋼材表面質(zhì)量

鋼材在軋制時軋輥間產(chǎn)生的毛刺在后續(xù)軋制中壓入表面形成折縫、折疊，如果在鍛造前沒有及時清理，就會殘留在鍛件表面，形成鍛造折疊。但是由于鋼材表面缺陷在鋸切后的坯料上是隨機(jī)存在的，沒有固定位置，不會導(dǎo)致類似二軸齒輪這種固定位置、沿圓周方向分布的折疊。

下料過程

鋼材下料如果使用剪切下料，會造成坯料端面切斜、彎曲、凹心、凸起或者端面邊緣帶毛刺，在后續(xù)鍛造成形時會形成在固定位置的折疊。二軸齒輪鍛件所用鋼材為φ85mm 的20CrMnTi 圓鋼，下料采用鋸切方式，并沒有上述各種剪切下料缺陷，且坯料端面平整(圖6)，不會在鍛件上留下折疊。

圖6 下料后坯料端面平整

鐓粗、成形時不正常流動

模具型腔的設(shè)計不合理經(jīng)常會導(dǎo)致金屬在鍛造時發(fā)生不正常流動，從而形成折疊。一般的不合理設(shè)計有：凸圓角過小、出模角過小、分模位置不合適等，二軸齒輪熱鍛件如圖7 所示。

圖7 齒輪熱鍛件

熱鍛件圖中連皮及輻板內(nèi)側(cè)部位1 體積較小，尤其連皮處體積太小，而輻板外側(cè)的部位2 則體積較大。二軸齒輪在錘上鐓粗后直接終鍛成形，沒有預(yù)鍛分料工步，無法合理地分配金屬體積。這樣會導(dǎo)致各部位流動速率差異和充滿不同時，連皮處體積最小，料流動最劇烈，其次是部位1，最后是部位2。另外熱鍛件3 處R5 稍小，也不易于金屬流動。利用DEFORM 2D 模擬鐓粗后坯料在錘上模具中的終鍛成形過程，速率矢量圖見圖8、未充滿時距表層0.5mm 處流線見圖9，充滿后距表層0.5mm 處流線見圖10。

圖8 速率矢量圖

圖9 未充滿時距表層0.5mm 處流線

圖10 充滿時距表層0.5mm 處流線

圖10 流線顯示在A、B 兩處都有折疊趨勢。圖8顯示A 處也有明顯的回流，實(shí)際生產(chǎn)中未產(chǎn)生折疊缺陷，得益于該處大圓角利于金屬流動?？梢钥吹綀D9 中型腔未充滿時，折疊趨勢不明顯；充滿后C 處金屬很少流向輻板外側(cè)，而連皮處流向C 處的金屬流動速率很高，在交界處受到較大阻力，金屬遵循最小阻力斜向上、向外流動帶動了連皮與交界處表層金屬卷入內(nèi)部，打擊力較大，變形速率更大時，折疊就向外移動到C 處，就是二軸齒輪的折疊位置。

由此，可以確定二軸齒輪折疊原因是終鍛連皮處向外流出的金屬流動不順暢，帶動表層金屬卷入鍛件內(nèi)部，形成了折疊。

解決方案

折疊的原因是終鍛時金屬流動不暢，所以降低折疊的趨勢要通過改善終鍛過程金屬的流動情況實(shí)現(xiàn)。

連皮處金屬在終鍛最后階段流出時遇到較大阻力的原因是：①連皮處流出金屬的流動速率大于圖10中C 處金屬；②連皮處模具表面與C 處模具表面連接B 處過渡不夠平緩，造成B 處周圍金屬容易被帶動。那么，就要降低兩處金屬流動速率的差異，并讓兩處模具表面緩和地過渡。根據(jù)這些需要，修改模具型腔，將連皮處下模降低，并加大B 處圓角(圖11)。這樣會使得連皮流出的金屬更靠近C 處模具表面，C 處金屬流動會加快，不容易對連皮處金屬形成較大阻力，同時使得金屬流過B 處時更加平緩。

圖11 更改模具型腔后的熱鍛件

利用DEFORM 2D 模擬更改模具型腔后的終鍛成形過程，充滿后距表層0.5mm 流線如圖12 所示。

圖12 更改后充滿時距表層0.5mm 流線

從更改后的流線模擬來看，折疊的趨勢已經(jīng)很大程度上消除了。實(shí)際中，按照這個模具更改方案返修模具后再次生產(chǎn)時，原來折疊發(fā)生的鍛件表面再未出現(xiàn)折疊(圖13)，印證了之前對折疊形成原因的分析是正確的，也說明采取的解決方案有效。

圖13 更改后鍛件

結(jié)束語

通過對某型號變速器二軸二擋齒輪熱加工后端面折疊的分析，得出折疊的原因是終鍛時連皮處向外流出金屬流動不順暢，帶動表層金屬卷入鍛件內(nèi)部，形成了折疊。針對此原因，調(diào)整了該處模具尺寸，DEFORM 模擬結(jié)果顯示該處折疊趨勢基本消除，實(shí)際生產(chǎn)中也再未發(fā)生。本文提出的這種對折疊的原因分析和解決方案對類似零件解決相似的折疊提供了參考，也為新設(shè)計類似零件預(yù)防折疊提供了思路。