變速箱齒輪腹板沖孔工藝與模具設計

文／李玲蔚，朱國英，馬臣，李鵬鵬·一汽鍛造（吉林）有限公司

齒輪是汽車變速箱的重要零部件，隨著汽車輕量化的不斷發展，對零部件的輕量化、精密化要求越來越高。一些高端乘用車變速箱上的齒輪結構復雜化，且在腹板上增加一定數量的孔來實現減重。本文主要介紹該類齒輪的鍛造工藝及模具設計，以及利用Forge軟件對工藝方案進行模擬分析。運用模擬工藝及模具進行實際生產驗證，鍛件形狀及尺寸完全滿足產品要求。

鍛造工藝分析

產品特點

我公司以往鍛壓機上生產的變速箱齒輪大多余量大，腹板處厚度大于10mm，成形難度低。該腹板沖孔類齒輪（圖1）為精密模鍛件，尺寸精度要求高(公差±0.5mm)，機加工余量小，腹板厚度僅6～7mm，腹板上有6～8個“腰”形長孔，孔徑最小僅5mm，且均為非加工部位。圖2所示為產品三維模型。

鍛造難點

目前我公司主要采用閉式鍛造工藝來開發這類薄腹板帶減重孔的齒輪，其結構特點決定了工藝性及模具設計的復雜性。

鍛造過程中由于腹板薄，金屬流動過程中冷卻速度快，導致金屬流動困難，型腔不易充滿，尤其是輪緣內側圓角部分。鍛件截面變化大，鍛打易發生變形，出現充不滿、折疊等問題。

圖1 產品簡圖

圖2 產品三維模型

產品形狀復雜，帶雙側油槽及裝配凸臺，腹板孔與鍛件凸臺均有位置度及尺寸要求，且這些部位尺寸精度要求較為嚴格(公差±0.4mm)，毛坯尺寸控制難度大。鍛造沖孔工序同時沖多個腹板減重孔時，鍛件受力復雜，尺寸變化大。

圖3 鍛造工藝流程

鍛造工藝流程

為滿足鍛件尺寸要求，針對其結構特點進行詳細的分析，制定了如下工藝方案：下料→中頻感應加熱→鐓粗→預鍛→終鍛→沖孔、校正→拋丸→熱處理（正火）→終檢，鍛造工藝流程見圖3。

模具結構研究

腹板沖孔齒輪類鍛件主要在鍛壓機上開發，其模具總體結構設計需符合設備參數要求。根據鍛件成形的工藝流程，將模具設計分為鍛模和沖校模具兩部分。

鍛模設計

鍛模包括鐓粗模、預鍛模以及終鍛模具。其中鐓粗、預鍛為預成形工步，主要起分配坯料的作用；終鍛為終成形工步，成形沖孔前的產品功能尺寸。鍛模結構設計的合理性對生產有著至關重要的影響。

⑴分塊式模具結構，降低模具成本，提高模具壽命。

以往的齒輪終成形部分模具多采用整體結構，模塊尺寸大，深型腔部位難充滿、鍛造時易出現應力集中開裂，凸芯子部位磨損快，模具成本高。現采用分塊式模具（圖4）結構，在難充滿部位分塊，上下模各自分成模套和模芯兩部分，能有效的解決模具磨損、開裂及鍛件充不滿等問題，利于提高模具壽命。

模套與模芯之間采取間隙配合，但在實際生產過程中模具受熱膨脹等因素影響，模芯易下沉發生側偏現象，造成鍛件厚度值超差。該系列產品厚度公差要求±0.5mm以內，為提高產品一致性，模套與模芯之間配合間隙設計必須合理，在0.10～0.20mm范圍。

⑵雙導向結構，有效控制鍛件錯差。

圖4 分塊模具結構

腹板沖孔齒輪系列產品機械加工余量少，錯差必須嚴格控制才能保證余量均勻、機加工不留黑皮。分塊式模具只靠上下模之間導向，生產中錯差難以保證。經分析研究，增加導向套實現模具結構雙導向。模具工作時導向套與下模先實現導向，當滑塊距離下死點10～15mm時，開始進入上下模之間導向。這種結構能夠有效減小因設備導軌間隙過大帶來的上下模運動偏差，同時也能夠減少因模具導向位置處的磨損帶來的偏差，實際生產中有效地將鍛件錯差控制在≤0.4mm。

⑶增加定位凸臺，解決沖孔工序定位問題。

產品腹板孔位與雙側凸臺均有相對尺寸及位置要求(尺寸公差±0.5mm、角度公差±1°)，要保證沖孔后產品滿足要求，在沖孔工序必須進行精準定位。靠鍛件自身形狀無法實現，只能增加輔助定位即終鍛工步在減重孔位置設計“凸起連皮”(圖5)，沖孔工序連皮落入凹模實現精準定位，沖孔時將連皮沖掉，完全不影響產品外觀。

復合模設計

圖5 定位凸臺

該類齒輪大多腹板薄、孔多、鍛造及沖孔后鍛件極易變形，為保證產品要求沖孔、校正工步必不可少。由于設備問題，沖孔、校正工步在一臺壓床完成。考慮到人員成本、生產節拍等因素，聯合模結構不適用，需設計沖孔與校正一體的復合模。復合模能實現先沖孔后校正，可有效解決沖孔引起的齒輪腹板變形等問題，生產效率也高。

⑴采用氮氣彈簧退件，簡化模具結構，解決拆裝難問題。

一般復合模結構復雜，各個部件關聯尺寸多，拆裝調整難。采用氮氣彈簧進行退件，能有效解決沖后粘模問題。考慮該系列產品腹板孔形狀位置的嚴密性，所有腹板孔小沖頭設計成沖頭座壓入式，簡化了復合模結構，便于生產中沖頭磨損、彎曲變形后拆裝更換。利于提高生產效率，并減少模具浪費。

⑵仿形校正模設計，解決沖校后鍛件變形超差問題。

鍛件腹板沖孔過程中受力非常復雜，尺寸變化大，校正模設計難度大。校正模間隙設計不合理，會出現鍛件粘模、尺寸超差、定位包變形等問題，影響鍛件質量。經過多方評審論證、工藝模擬分析，校正模采用仿形設計，鍛件與模具定位部分設計0.15mm間隙，鍛件質量極大程度改善。

模擬分析

利用Forge成形軟件對工藝及模具進行模擬分析(圖6、圖7)，模擬初始條件設置如下：材料采用TL4227A，坯料初始溫度1200℃，模具材料H13，模具與坯料之間采用水+石墨的潤滑，設備選擇2000t機械壓力機。按照工藝流程模擬，最終實現成形，鍛件充滿良好，模具結構滿足設計要求。

圖6 充滿示意

圖7 成形力

工藝驗證

根據模擬結果，采用1600t鍛壓機和200t壓床進行生產驗證，鍛件尺寸精度滿足圖紙要求，且質量比較穩定。只是后期沖孔模壽命偏低，引起鍛件腹板沖孔毛刺超差（圖8）；后續模具已進行優化設計，待批量生產驗證。整個鍛造過程控制手段不全面，傳送帶不滿足要求，鍛件磕碰傷嚴重（圖9）。

圖8 沖孔毛刺

圖9 磕碰傷

結論

⑴運用分塊結構鍛模及沖校復合模進行生產工藝驗證，整個鍛造工藝過程穩定，鍛造產品外形、尺寸及表面質量完全滿足客戶要求。

⑵目前國內關于乘用車變速箱齒坯腹板沖孔工藝有很大研究空間，掌握該技術可以提高企業的核心市場競爭力，對今后類似產品的研發工作具有重要的影響。