楔橫軋小斷面收縮率新能源電機(jī)軸容易產(chǎn)生的缺陷及其解決措施

文/張軍改，陳琳，李盼盼·邯鄲峰馳精密制造有限公司

新能源電機(jī)軸具有斷面收縮率小、桿部長、臺階集中等特點(diǎn)，楔橫軋最適宜的斷面收縮率是75%左右，斷面收縮率太小，軋件軸向流動能力弱，難以排料且容易產(chǎn)生疏松、中空及橢圓等缺陷，只有增大成形角才能解決此問題，但成形角太大容易在表面一定范圍內(nèi)產(chǎn)生螺旋痕等表面缺陷。為解決這一問題，通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證終于找到了解決該問題的方法。

楔橫軋是一種節(jié)能環(huán)保、高效清潔的軸類零件近凈成形技術(shù)。與傳統(tǒng)軸類零件生產(chǎn)方法——鍛造、切削比較，楔橫軋工藝具有高效、節(jié)材、生產(chǎn)效率高、勞動強(qiáng)度低、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。多用于汽車、發(fā)動機(jī)和變速箱的階梯軸上。近年來，隨著新能源汽車的迅速增加，楔橫軋技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到新能源汽車電機(jī)軸的生產(chǎn)中。新能源電機(jī)軸的斷面收縮率一般均小于35%，本案例電機(jī)軸斷面收縮率僅為22.24%，其軋制圖如圖1 所示，常規(guī)的楔橫軋件斷面收縮率在35%～75%之間時(shí)，楔橫軋成形的工藝條件良好，參數(shù)選擇范圍較寬，當(dāng)斷面收縮率小于35%時(shí)，屬于小斷面收縮率軋制。其成形難度增加，在過去對軋件的變形進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)小斷面收縮率不利于軋件的軸向延伸。參數(shù)選擇不當(dāng)，要么產(chǎn)生疏松、中空等內(nèi)部缺陷，要么產(chǎn)生橢圓及螺旋痕等外部缺陷，根據(jù)楊翠蘋等人的研究，還會產(chǎn)生螺旋組織缺陷。而螺旋組織缺陷會降低產(chǎn)品的機(jī)械性能，如果去除就必須有一定的加工余量，降低材料利用率。因此，解決小斷面缺陷問題極有必要，為此，本文通過分析新能源電機(jī)軸案例及試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了解決楔橫軋電機(jī)軸小斷面軋制缺陷的方法。

圖1 新能源電機(jī)軸軋件圖

電機(jī)軸軋制特點(diǎn)及金屬流線狀態(tài)分析

新能源電機(jī)軸主要特點(diǎn)是斷面收縮率小，桿部尺寸長，軋制時(shí)不易排料，容易產(chǎn)生心部疏松、孔洞和表面橢圓等問題，只有增大α 角才能解決排料問題，但是α 角太大，容易產(chǎn)生螺旋痕和螺旋組織缺陷，不僅影響表面質(zhì)量，還會降低產(chǎn)品機(jī)械性能。

樣件送貨后，客戶做金屬流線時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸件長桿表面有螺旋狀壓痕，如圖2(a)所示；縱向剖開后有深度約2mm，間距約14mm 等距離壓痕，如圖2(b)所示；仔細(xì)觀察剖面圖，可看到壓痕猶如金屬折疊到一塊形成的折疊紋，未腐蝕前，表面無明顯壓痕，如圖2(c)所示。

圖2 樣件做金屬流線前后產(chǎn)品狀態(tài)

試驗(yàn)驗(yàn)證

我公司對現(xiàn)存產(chǎn)品分別進(jìn)行了磁粉探傷、外圓車削、車削后低倍腐蝕和毛坯低倍腐蝕以及高倍檢驗(yàn)等驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)以下情況：1)磁粉探傷后，毛坯表面能看到螺旋痕跡，如圖3 所示；2)單邊車削外圓0.5mm后，有壓痕，如圖4 所示；3)同時(shí)對車前和車后兩個(gè)部分的桿部進(jìn)行酸浸腐蝕，可清晰看到表面壓痕，如圖5 所示；4)后又對車削后沒有壓痕的軸件進(jìn)行酸浸腐蝕，腐蝕后仍然可以看到壓痕，如圖6 所示；5)對毛坯件縱向剖開取樣磨削拋光，在100 倍顯微鏡下觀察，可看到有開口裂紋，如圖7 所示。上述種種現(xiàn)象顯示，盡管軸件外表看不到缺陷，但經(jīng)過磁粉探傷、車削、酸浸腐蝕及高倍檢驗(yàn)等，均可證明產(chǎn)品表面一定深度存在疑似折疊裂紋的缺陷。

圖3 毛坯表面能看到螺旋痕跡

圖4 單邊車削外圓0.5mm 后，有壓痕

圖5 車前和車后兩個(gè)部分桿部進(jìn)行酸浸腐蝕，表面壓痕清晰可見

圖6 車削后沒有壓痕的軸件，腐蝕后仍然可以看到壓痕

圖7 對毛坯件縱向剖開取樣磨削拋光在100 倍顯微鏡下觀察到開裂

原因分析

對庫存鋼材進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果符合要求；對庫存鋼材夾雜物進(jìn)行分析，夾雜物符合要求；與檢驗(yàn)人員和生產(chǎn)人員交流，未發(fā)現(xiàn)鋼材表面裂紋，且即便鋼材表面存在裂紋，其形狀也與該壓痕不符。從缺陷表現(xiàn)形式看，疑似是楔橫軋產(chǎn)生的螺旋痕，隨即對模具設(shè)計(jì)及現(xiàn)場模具進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)α 角達(dá)45°，楔尖圓角R3mm 左右，現(xiàn)場模具測量與設(shè)計(jì)參數(shù)相近，螺旋痕跡間距與展寬角成形軋件時(shí)形成的螺距相等，因此初步推斷是螺旋痕。

為什么過程檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)螺旋痕，這是由于過程中雖然有表面質(zhì)量檢驗(yàn)和車削首件檢驗(yàn)，但因?yàn)檐埣砻媛菪鄄幻黠@，肉眼未觀測到；車削檢驗(yàn)一次車削量過大將螺旋痕車掉了，也未能發(fā)現(xiàn)一定深度的螺旋痕。

為進(jìn)一步確認(rèn)缺陷產(chǎn)生的根本原因，做了以下分析驗(yàn)證：斷面收縮率小于35%時(shí)，屬于小斷面軋制，其排料難度較大，且其排料難度隨著桿部長度加長而增加，如圖8 所示，D2 和D4 的斷面收縮率同樣等于22.24%，但是軋制過程中D4 表面未出現(xiàn)螺旋痕，是因?yàn)樵撆_階長度較短，還未來得及出現(xiàn)太大的排料阻力，就已經(jīng)完成了臺階成形，而D2 臺階長度較長，約為176mm，成形過程既有徑向壓縮又有軸向延伸，壓縮和延伸之間達(dá)到較好的匹配，才能保證軋件良好的成形質(zhì)量，模具與軋件接觸作用區(qū)直接影響軋件成形，因其斷面收縮率小，接觸區(qū)小，軸向力小，只有通過減小楔頂尖圓角才能增加其接觸面積，所以該產(chǎn)品楔頂尖圓角設(shè)計(jì)的較小，約為R3mm，楔頂尖圓角過小，將會導(dǎo)致金屬倒流，形成折疊裂紋。

圖8 斷面收縮率小于35%的新能源電機(jī)軸軋件圖

螺旋痕對產(chǎn)品質(zhì)量的影響及解決措施

新能源電機(jī)軸要求尺寸精度較高，機(jī)加工余量較小，螺旋痕深度達(dá)到一定尺寸時(shí)，不僅影響表面質(zhì)量，而且將導(dǎo)致機(jī)加工后無法完全消除螺旋痕，而影響機(jī)加工質(zhì)量；根據(jù)北京科技大學(xué)楊翠蘋等人關(guān)于《楔橫軋小斷面收縮率軋件螺旋組織缺陷研究》認(rèn)為，螺旋痕缺陷在車削加工時(shí)在表面層有輕微折疊，在一定深度內(nèi)會出現(xiàn)螺旋亮帶，軋件表層顯微組織不均勻，降低產(chǎn)品機(jī)械性能。

解決措施為：增大楔頂尖圓角；通過加大圓鋼直徑，提高軋制時(shí)的斷面收縮率，以減小螺旋痕深度；車削首件時(shí)，車削量不能太大，應(yīng)車削成塔形，如圖9 所示，以發(fā)現(xiàn)不同深度的缺陷；增加過程磁粉探傷檢驗(yàn)。

圖9 車削首件時(shí)，車削成塔形

結(jié)束語

通過增加楔頂尖圓角，減小了螺旋痕深度，但在一定程度上，又增加了疏松的幾率。加大圓鋼直徑，使圓鋼直徑由原來的55mm 增加到70mm，斷面收縮率由原來的22.24%，提高到52%，有效地解決了螺旋痕的問題，但也帶來了材料利用率的降低?？傊?，楔橫軋成形新能源電機(jī)軸等小斷面軸件時(shí)，企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身?xiàng)l件，采取增大楔頂尖圓角或加大圓鋼直徑的方法，以消除螺旋痕缺陷，同時(shí)，應(yīng)增加磁粉探傷和改變車削檢驗(yàn)方法等措施。