什么是二轴变速箱（什么是二轴变速器）

折叠是锻造生产中一种常见的缺陷，由高温下已氧化的金属表层局部汇合在一起压入锻件内部形成。在机械加工后的表面，外观上一般难区分折叠和裂纹，但折叠尾部一般呈圆钝，折叠区域两侧金属通常还会存在氧化和明显的脱碳现象。折叠破坏了锻件表面的完整，残留在零件表面形成应力集中点，容易导致零件在使用中断裂失效。

折叠缺陷发现

我公司某齿轮加工车间加工一批某变速器二轴二挡齿轮零件(以下简称“二轴齿轮”)，材料为20CrMnTi，在渗碳淬火后硬车安装定位端面时，发现部分零件在靠近内孔处有沿圆周方向分布的疑似折叠的缺陷，缺陷的位置、外观如图1、图2、图3 所示。

图1 折叠位置

图2 缺陷局部

图3 折叠在锻件中对应位置

沿径向切开断口，在金相显微镜(100×)下观察，发现缺陷区域有夹杂物，末端圆钝，不符合淬火裂纹特征，用硝酸酒精溶液腐蚀后，两侧金属经过渗碳淬火工序已经无从判断是否曾经脱碳(图4)，但已经可以判断是典型的锻造折叠缺陷。带有折叠缺陷的零件约占6%，由于无法返修只能全部报废，废品率非常高。

图4 腐蚀前后缺陷特征(100×)

产生原因

二轴齿轮的锻件锻造工艺流程：带锯机下料(φ85mm圆钢)→中频感应炉加热→程控锤上镦粗、成形，镶块模如图5 所示。

图5 镶块模

一般的变速箱齿轮锻件在锻造过程中能导致折叠的因素有三种情况。

①钢材表面的折缝、折叠缺陷残留在锻件表面形成折叠；

②下料产生的坯料端面切斜、端面弯曲或带毛刺、端面凹心或凸起；

③锻造成形时各种因素导致的金属发生对流、回流等不正常流动造成折叠。

钢材表面质量

钢材在轧制时轧辊间产生的毛刺在后续轧制中压入表面形成折缝、折叠，如果在锻造前没有及时清理，就会残留在锻件表面，形成锻造折叠。但是由于钢材表面缺陷在锯切后的坯料上是随机存在的，没有固定位置，不会导致类似二轴齿轮这种固定位置、沿圆周方向分布的折叠。

下料过程

钢材下料如果使用剪切下料，会造成坯料端面切斜、弯曲、凹心、凸起或者端面边缘带毛刺，在后续锻造成形时会形成在固定位置的折叠。二轴齿轮锻件所用钢材为φ85mm 的20CrMnTi 圆钢，下料采用锯切方式，并没有上述各种剪切下料缺陷，且坯料端面平整(图6)，不会在锻件上留下折叠。

图6 下料后坯料端面平整

镦粗、成形时不正常流动

模具型腔的设计不合理经常会导致金属在锻造时发生不正常流动，从而形成折叠。一般的不合理设计有：凸圆角过小、出模角过小、分模位置不合适等，二轴齿轮热锻件如图7 所示。

图7 齿轮热锻件

热锻件图中连皮及辐板内侧部位1 体积较小，尤其连皮处体积太小，而辐板外侧的部位2 则体积较大。二轴齿轮在锤上镦粗后直接终锻成形，没有预锻分料工步，无法合理地分配金属体积。这样会导致各部位流动速率差异和充满不同时，连皮处体积最小，料流动最剧烈，其次是部位1，最后是部位2。另外热锻件3 处R5 稍小，也不易于金属流动。利用DEFORM 2D 模拟镦粗后坯料在锤上模具中的终锻成形过程，速率矢量图见图8、未充满时距表层0.5mm 处流线见图9，充满后距表层0.5mm 处流线见图10。

图8 速率矢量图

图9 未充满时距表层0.5mm 处流线

图10 充满时距表层0.5mm 处流线

图10 流线显示在A、B 两处都有折叠趋势。图8显示A 处也有明显的回流，实际生产中未产生折叠缺陷，得益于该处大圆角利于金属流动。可以看到图9 中型腔未充满时，折叠趋势不明显；充满后C 处金属很少流向辐板外侧，而连皮处流向C 处的金属流动速率很高，在交界处受到较大阻力，金属遵循最小阻力斜向上、向外流动带动了连皮与交界处表层金属卷入内部，打击力较大，变形速率更大时，折叠就向外移动到C 处，就是二轴齿轮的折叠位置。

由此，可以确定二轴齿轮折叠原因是终锻连皮处向外流出的金属流动不顺畅，带动表层金属卷入锻件内部，形成了折叠。

解决方案

折叠的原因是终锻时金属流动不畅，所以降低折叠的趋势要通过改善终锻过程金属的流动情况实现。

连皮处金属在终锻最后阶段流出时遇到较大阻力的原因是：①连皮处流出金属的流动速率大于图10中C 处金属；②连皮处模具表面与C 处模具表面连接B 处过渡不够平缓，造成B 处周围金属容易被带动。那么，就要降低两处金属流动速率的差异，并让两处模具表面缓和地过渡。根据这些需要，修改模具型腔，将连皮处下模降低，并加大B 处圆角(图11)。这样会使得连皮流出的金属更靠近C 处模具表面，C 处金属流动会加快，不容易对连皮处金属形成较大阻力，同时使得金属流过B 处时更加平缓。

图11 更改模具型腔后的热锻件

利用DEFORM 2D 模拟更改模具型腔后的终锻成形过程，充满后距表层0.5mm 流线如图12 所示。

图12 更改后充满时距表层0.5mm 流线

从更改后的流线模拟来看，折叠的趋势已经很大程度上消除了。实际中，按照这个模具更改方案返修模具后再次生产时，原来折叠发生的锻件表面再未出现折叠(图13)，印证了之前对折叠形成原因的分析是正确的，也说明采取的解决方案有效。

图13 更改后锻件

结束语

通过对某型号变速器二轴二挡齿轮热加工后端面折叠的分析，得出折叠的原因是终锻时连皮处向外流出金属流动不顺畅，带动表层金属卷入锻件内部，形成了折叠。针对此原因，调整了该处模具尺寸，DEFORM 模拟结果显示该处折叠趋势基本消除，实际生产中也再未发生。本文提出的这种对折叠的原因分析和解决方案对类似零件解决相似的折叠提供了参考，也为新设计类似零件预防折叠提供了思路。

——来源：《锻造与冲压》2021年第9期