楔橫軋小斷面收縮率新能源電機軸容易產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

新能源電機軸具有斷面收縮率小、桿部長、臺階集中等特點，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產生螺旋痕等表面缺陷。為解決這一問題，通過多次試驗驗證終于找到了解決該問題的方法。

楔橫軋是一種節能環保、高效清潔的軸類零件近凈成形技術。與傳統軸類零件生產方法——鍛造、切削比較，楔橫軋工藝具有高效、節材、生產效率高、勞動強度低、環保、節能等優點。多用于汽車、發動機和變速箱的階梯軸上。近年來，隨著新能源汽車的迅速增加，楔橫軋技術越來越多地被應用到新能源汽車電機軸的生產中。新能源電機軸的斷面收縮率一般均小于35%，本案例電機軸斷面收縮率僅為22.24%，其軋制圖如圖1 所示，常規的楔橫軋件斷面收縮率在35%～75%之間時，楔橫軋成形的工藝條件良好，參數選擇范圍較寬，當斷面收縮率小于35%時，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行研究時，發現小斷面收縮率不利于軋件的軸向延伸。參數選擇不當，要么產生疏松、中空等內部缺陷，要么產生橢圓及螺旋痕等外部缺陷，根據楊翠蘋等人的研究，還會產生螺旋組織缺陷。而螺旋組織缺陷會降低產品的機械性能，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軸案例及試驗驗證，提出了解決楔橫軋電機軸小斷面軋制缺陷的方法。

圖1 新能源電機軸軋件圖

電機軸軋制特點及金屬流線狀態分析

新能源電機軸主要特點是斷面收縮率小，桿部尺寸長，軋制時不易排料，容易產生心部疏松、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，容易產生螺旋痕和螺旋組織缺陷，不僅影響表面質量，還會降低產品機械性能。

樣件送貨后，客戶做金屬流線時，發現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品狀態

試驗驗證

我公司對現存產品分別進行了磁粉探傷、外圓車削、車削后低倍腐蝕和毛坯低倍腐蝕以及高倍檢驗等驗證，發現以下情況：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)同時對車前和車后兩個部分的桿部進行酸浸腐蝕，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。上述種種現象顯示，盡管軸件外表看不到缺陷，但經過磁粉探傷、車削、酸浸腐蝕及高倍檢驗等，均可證明產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 車前和車后兩個部分桿部進行酸浸腐蝕，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

對庫存鋼材進行化學成分分析，分析結果符合要求；對庫存鋼材夾雜物進行分析，夾雜物符合要求；與檢驗人員和生產人員交流，未發現鋼材表面裂紋，且即便鋼材表面存在裂紋，其形狀也與該壓痕不符。從缺陷表現形式看，疑似是楔橫軋產生的螺旋痕，隨即對模具設計及現場模具進行檢查，發現模具設計α 角達45°，楔尖圓角R3mm 左右，現場模具測量與設計參數相近，螺旋痕跡間距與展寬角成形軋件時形成的螺距相等，因此初步推斷是螺旋痕。

為什么過程檢驗未發現螺旋痕，這是由于過程中雖然有表面質量檢驗和車削首件檢驗，但因為軋件表面螺旋痕不明顯，肉眼未觀測到；車削檢驗一次車削量過大將螺旋痕車掉了，也未能發現一定深度的螺旋痕。

為進一步確認缺陷產生的根本原因，做了以下分析驗證：斷面收縮率小于35%時，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 表面未出現螺旋痕，是因為該臺階長度較短，還未來得及出現太大的排料阻力，就已經完成了臺階成形，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，壓縮和延伸之間達到較好的匹配，才能保證軋件良好的成形質量，模具與軋件接觸作用區直接影響軋件成形，因其斷面收縮率小，接觸區小，軸向力小，只有通過減小楔頂尖圓角才能增加其接觸面積，所以該產品楔頂尖圓角設計的較小，約為R3mm，楔頂尖圓角過小，將會導致金屬倒流，形成折疊裂紋。

圖8 斷面收縮率小于35%的新能源電機軸軋件圖

螺旋痕對產品質量的影響及解決措施

新能源電機軸要求尺寸精度較高，機加工余量較小，螺旋痕深度達到一定尺寸時，不僅影響表面質量，而且將導致機加工后無法完全消除螺旋痕，而影響機加工質量；根據北京科技大學楊翠蘋等人關于《楔橫軋小斷面收縮率軋件螺旋組織缺陷研究》認為，螺旋痕缺陷在車削加工時在表面層有輕微折疊，在一定深度內會出現螺旋亮帶，軋件表層顯微組織不均勻，降低產品機械性能。

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

圖9 車削首件時，車削成塔形

結束語

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軸等小斷面軸件時，企業應根據自身條件，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，應增加磁粉探傷和改變車削檢驗方法等措施。