結合齒多工位自動熱精鍛成形工藝研究

文／張艷偉，錢夏晨，徐驥，趙軍華，劉亞琴·江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司

汽車變速器結合齒又稱帶離合器齒輪的斜齒傳動齒輪，用于汽車變速器的傳動、換檔，使換擋傳動產生不同種級差。傳統的結合齒倒錐角采用插齒機切削加工來實現，這種方法生產效率低、產品精度差，而且齒根部易產生應力集中，金屬流線被切斷，強度降低。隨著汽車節能減排要求，變速箱設計越來越小，零部件的功能集中、形狀越來越復雜，作為世界性的潮流對齒輪精密鍛造的關注與期待越來越高，尤其是在世界制造業戰略性轉型升級期間，人們認識到只有精鍛齒輪才能更好滿足重量輕、強度高、低成本制造的要求，也符合環保要求的綠色制造。

隨著汽車工業技術的發展，結合齒已大批量采用精鍛工藝生產，其產品精度高，使用性能好。精密鍛造成形的結合齒需求量大幅增加，現有的手動鍛造已經不能滿足批量生產的量和質的要求，倒逼企業進行轉型升級，通過自動化多工位生產工藝提升產能，保證產品批量生產的質量一致性。因此，研究多工位自動熱精鍛成形工藝對實現結合齒的多工位精密鍛造成形批量生產有重大意義。

成形工藝分析

多工位自動熱模鍛壓力機包括自動送料裝置、快速換模裝置、移動噴嘴裝置、模具潤滑裝置等，多工位自動熱模鍛相對于傳統的鍛造，具有過程質量穩定、生產效率高、工件精度高、模具壽命高等優點。

結合齒多工位自動熱精鍛成形工藝相對于傳統的手動鍛造工藝，需要考慮各工位成形力的分布是否符合機床自身的偏載負荷曲線，模具的頂出高度是否符合夾爪的夾持位置，鍛件頂出過程中出現的彈跳問題，以及各工位放入模腔時定位穩定等，這也為結合齒多工位自動化熱精鍛工藝設計增加了更多的難點，考慮不周，會造成自動化生產線無法正常生產。

圖1 為某轎車變速箱結合齒精密模鍛件示意圖，該產品月需求量為10 萬件。零件圖結構相當復雜，有42 個均布的無需機械加工的倒錐形直齒(結合齒齒部)和3 個均布的定位凹槽，本文以此件為例闡述整體式結合齒的熱精鍛自動成形工藝。

圖1 某轎車變速器結合齒精密模鍛件示意圖

成形工藝有限元模擬

根據零件圖和熱精鍛工藝特點，以及后續各工序余量分布設計結合齒熱精密鍛件圖，利用UG 建立該模型，如圖2 所示。根據UG 分析功能計算出熱精密鍛件體積，按體積不變原則，確定坯料尺寸，同時在UG 中建立熱精鍛模具模型。

圖2 結合齒熱精密模鍛件模型

我司原有的結合齒坯鍛造工藝為手動多工位鍛造，各工位的成形壓力分別為500kN、3000kN、12000kN，為了符合機床的偏載負荷曲線，手動鍛造時將三工位最終成形放置在手動機床的中間工位。原工藝方案無法直接用于自動化生產，為了保證夾爪自動化夾持、搬運，同時還要符合機床的偏載負荷曲線，需要設計符合自動化生產的工藝方案。

根據成形工藝分析，為了合理分配各工位的成形壓力，降低模具受力，提高模具壽命，制定了兩種多工位鍛造方案。第一種方案如圖3 所示：一工位分配坯料體積；二工位預成形齒形；三工位最終成形。第二種方案如圖4 所示：與方案一相同也設計為三工位，一工位鐓粗的目的是去除中頻感應加熱過程中產生的氧化皮；二工位預鍛鐓粗的目的是分配坯料體積；三工位最終成形。

圖3 方案一

圖4 方案二

利用DEFORM-3D 模擬分析軟件設置模擬所需參數，模具初始溫度設為200℃，坯料初始溫度設為1150℃。其他設置參數為：材料AISI-5120(鍛件材質為20CrMnTiH)，坯料溫度1150℃，模具預熱溫度200℃，摩擦系數0.3。

方案一最終模擬得到的主要變形過程如圖5 所示。坯料分料后，放入二工位預成形模具，二工位初步成形出齒形，三工位最終成形出齒部及卡槽部位。圖6 為成形過程中材料流動矢量圖，其運動矢量分布均勻、合理。圖7 為成形過程壓力-行程曲線，預測到的成形載荷約9000kN。

圖5 方案一主要變形過程模擬

圖6 方案一成形過程材料流動矢量圖

圖7 方案一的模擬成形壓力-行程曲線

方案二最終模擬得到的主要變形過程如圖8 所示。坯料鐓粗后，放入二工位模具，坯料繼續鐓粗，金屬徑向流動，逐步充填三工位齒部型腔，最終完全充滿齒部倒錐部位及卡槽部位，圖9 為成形過程中材料流動矢量圖，其運動矢量分布均勻、合理。圖10為模擬的成形過程壓力-行程曲線，預測到的成形壓力約11000kN。

圖8 方案二主要變形過程模擬

圖9 方案二成形過程材料流動矢量圖

圖10 方案二的模擬成形壓力-行程曲線

根據DEFORM-3D 模擬分析結果顯示：方案一和方案二在成形過程中金屬流動都比較合理；方案一各工位成形壓力分別為1500kN、6000kN、9000kN；方案二各工位成形壓力分別為500kN、3000kN、11000kN。

對比兩個方案：方案一各個工位受力情況更加符合機床的抗偏載要求，同時由于在二工位初步成形出齒部，使三工位成形過程中模具齒部型腔受力明顯降低，大幅提高了三工位模具壽命；方案二各工位受力情況也能符合機床抗偏載要求，但二、三工位受力偏差長期較大，容易導致設備及模架磨損異常。

由此得出第一種方案更加適合自動化鍛造。機床偏載負荷曲線如圖11 所示。

圖11 機床偏載負荷曲線圖

夾持位置及模具潤滑

為保證全自動熱模鍛過程生產穩定，模具設計過程中需要考慮夾爪的夾持位置，如圖12 所示，影響夾爪夾持位置的主要因素有兩點：零工位的送料基準和模具高度及鍛件的頂出高度，其中零工位的送料基準為固定值。在鍛造過程中機床產生振動，過高的頂出高度會使得鍛件頂出后發生傾斜，導致夾爪無法穩定夾持。

圖12 機械手夾持位置

自動送料裝置如圖13 所示，相對傳統的手動鍛造，送料位置精確，可以同時搬送各工位鍛件，能夠保證機床滿工位打擊。全自動鍛造系統在提高產量的同時也意味著增加了成形模具的熱傳遞和熱承載量，通過圖14 所示的移動噴嘴裝置，模具能夠得到均勻有效的冷卻及潤滑。

圖13 自動送料裝置

圖14 移動噴嘴裝置

工程驗證

根據第一種工藝方案設計相關模具，經多工位自動熱精鍛成形調試，成功試制了結合齒精密模鍛件，如圖15 所示。

圖15 結合齒精密模鍛件

結合齒精密模鍛件流線如圖16 所示，可以看出整個金屬流線順暢、對稱。通過該流線反映的特征，也進一步證實了熱鍛過程材料塑性流動合理，與模擬結果吻合。

圖16 結合齒精密模鍛件流線

結束語

⑴通過數值分析確認，方案一的成形工藝各個工位受力更加符合機床的抗偏載要求，三工位成形過程中模具齒部型腔受力明顯降低，大幅提高了三工位模具壽命，由此得出第一種方案更加適合自動化鍛造。

⑵通過工程驗證，方案一成形工藝零件填充飽滿，無裂紋等缺陷，說明多工位鍛造成形工藝與夾持位置設計合理，數值模擬準確可靠。

我司通過工藝優化，設備升級，完成了結合齒齒坯的多工位自動熱鍛成形，有效解決了傳統手動鍛造存在的工作環境惡劣、生產效率低、生產過程不穩定等缺點，符合客戶需求量大，質量要求高，過程控制穩定等要求，增強了企業適應能力和競爭力，同時適應了企業智能化升級改造的需求，為公司的智能化車間的建立提供了基礎。