變速箱軸類件多工位冷擠壓技術(shù)及其裝備的研發(fā)

文／夏巨諶，金俊松，王新云·華中科技大學(xué)

黃時明，張勇·湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司

夏漢關(guān)，黃義，黃輝·江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司

變速箱軸類件多工位冷擠壓技術(shù)及其裝備的研發(fā)

文／夏巨諶，金俊松，王新云·華中科技大學(xué)

黃時明，張勇·湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司

夏漢關(guān)，黃義，黃輝·江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司

市場需求分析

軸類件種類繁多，需求量大，以汽車變速箱為例，一般需輸入軸、輸出軸、中間軸、主動軸、從動軸、渦輪軸、末端驅(qū)動傘齒輪軸等，平均5～6根。2011年，我國汽車產(chǎn)量與銷量均超過1850萬輛，預(yù)計未來年產(chǎn)量將達(dá)到2500萬輛以上，變速箱軸類件年需求量將超過1億根，此外，國外汽車零部件采購商也在不斷擴(kuò)大在我國的采購量。國外采購商對于變速箱軸類件的要求是必須是冷擠件，以如圖1所示的輸入軸擠壓件為例，要求其徑向尺寸偏差≤±0.25mm，同軸度偏差≤±0.25mm，這與我國鋼質(zhì)冷擠壓件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9180.1—1999中普通級是一致的，但國外客戶在圖紙上的技術(shù)條件中還注明了軸向彎曲度偏差≤0.30mm，這就超越了我國相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。最近，有的國外客戶又將其尺寸精度提高至我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的精密級，這樣一來就必須采用精密冷擠壓技術(shù)生產(chǎn)才能滿足要求了，而國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)也正向這一發(fā)展趨勢靠攏。

因此，研究變速箱軸類件多工位冷擠壓(冷擠與冷鐓的統(tǒng)稱）成形工藝、多工位冷擠壓模具和多工位冷擠壓壓力機(jī)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)已是勢在必行。針對這一發(fā)展動態(tài)，自2004年以來，華中科技大學(xué)與江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司合作，圍繞國內(nèi)外用戶(主要是國外用戶）提出的40余種變速箱軸類件的多工位冷擠壓成形工藝進(jìn)行了研究。2009年，多工位冷擠壓成形被列入了國家科技重大專項“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”近凈成形技術(shù)二級課題中“黑色金屬與輕合金冷/溫精鍛成形技術(shù)”子項目的重要研究內(nèi)容。為了建立示范性生產(chǎn)線，江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司委托湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司設(shè)計制造了一臺YK34J-1600型五工位冷擠壓液壓機(jī)。

多工位冷擠壓成形工步圖的設(shè)計

下面以如圖1所示的輸入軸為例，介紹其多工位冷擠壓成形工步圖的設(shè)計。

圖1 輸入軸冷擠壓鍛件圖

根據(jù)當(dāng)凹模錐角α＝25°～32°時，經(jīng)退火和磷化處理的毛坯一次允許的縮徑擠壓的變形程度εA在28%～32%之間，以及確保穩(wěn)定鐓粗變形部分的長徑比l/d≤2.2兩項工藝準(zhǔn)則，分布于法蘭上、下兩端直徑相同或相近的軸段采用對向縮徑擠壓成形，據(jù)此所設(shè)計出的輸入軸五工位冷擠壓工步對應(yīng)的工件三維實體造型如圖2所示，圖2f所示即為所需的冷擠壓件。

工步圖及相關(guān)工藝參數(shù)是設(shè)計自動化生產(chǎn)線與制訂主要技術(shù)參數(shù)的依據(jù)。對于模具設(shè)計而言，五工位冷擠壓模具的模膛形狀及尺寸完全按照相應(yīng)的工步圖進(jìn)行設(shè)計，模具閉合高度根據(jù)工步圖中長度最長的尺寸來確定；對于壓力機(jī)而言，滑塊最大開啟高度和滑塊行程均以工步圖中長度最長的尺寸為依據(jù)來確定，滑塊擠壓成形行程也按照五個工步中變形行程最大值確定，壓力機(jī)的公稱壓力為所有五工步擠壓成形力之和；對于步進(jìn)梁式傳輸機(jī)械手而言，步進(jìn)梁上每對夾鉗間的相互間距與五個單元模具中心線間的相互間距的名義尺寸相等，每對夾鉗的夾緊力根據(jù)擠壓件重量來確定。

圖2 輸入軸五工位冷擠壓工步對應(yīng)的工件三維實體造型

多工位冷擠壓模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足軸類件多工位自動化冷擠壓生產(chǎn)的要求，提出了多工位冷擠壓模具的設(shè)計原則：

⑴所有單元模具的分模面應(yīng)處于同一水平面，以便于步進(jìn)梁的平移送進(jìn)運(yùn)動；

⑵相鄰單元模具的中心線之間的距離相等，且偏差≤0.1mm，以確保工件的送進(jìn)定位精度；

⑶下凹模模膛深度應(yīng)大于上凹模模膛深度，以確保工件定位的穩(wěn)定性；

⑷模具閉合高度應(yīng)按工步圖中最長工件的長度來確定；

⑸所有單元模具的圓筒形模套，其形狀和尺寸相同，模膛形狀和尺寸根據(jù)相應(yīng)的工步圖設(shè)計。

根據(jù)這些原則所設(shè)計與制造的五工位冷擠壓模具如圖3所示。

圖3 五工位冷擠壓模具

多工位冷擠壓液壓機(jī)的研制

本文作者在對國內(nèi)外40余種變速箱軸類件多工位冷擠壓工藝方案研究后發(fā)現(xiàn)，一般只需公稱壓力為16000kN的五工位壓力機(jī)即可完全滿足這些軸類件的生產(chǎn)，當(dāng)然，也有工位數(shù)超過五個的軸類件，但可將直徑相差很小的相鄰軸段向直徑較大的一段進(jìn)行簡化?；谶@一思路，并為適應(yīng)冷擠壓變形行程長的特點(diǎn)要求，湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司黃石華力鍛壓機(jī)床有限公司負(fù)責(zé)研制了此款多工位冷擠壓液壓機(jī)，所研制的YK34J-1600五工位冷擠壓液壓機(jī)如圖4所示。經(jīng)檢測其全部技術(shù)參數(shù)達(dá)到并部分超過了《金屬擠壓液壓機(jī) 精度》(JB 3844—85）、《液壓機(jī) 技術(shù)條件》(JB/T 3818—1999）、《液壓機(jī) 噪聲限值》(JB 9967—1999）等國家標(biāo)準(zhǔn)。

YK34J-1600五工位冷擠壓液壓機(jī)同德國舒勒公司設(shè)計制造的MH1600-1.93×1.3四工位冷擠壓液壓機(jī)主要技術(shù)及性能參數(shù)的比較見表1。

圖5 輸入軸冷擠壓件

■ 表1 YK34J-1600同MH1600-1.93×1.3主要技術(shù)及性能參數(shù)的比較

由表1中所列數(shù)據(jù)可知：所研制的YK34J-1600五工位冷擠壓液壓機(jī)與代表國際先進(jìn)水平的德國舒勒公司制造的MH1600-1.93×1.3四工位冷擠壓液壓機(jī)的主要技術(shù)及性能參數(shù)相同或相近。

輸入軸多工位冷擠壓工藝試驗

采用20CrMoH鋼，棒料毛坯經(jīng)過球化退火后硬度為140～150HBS，清理表面氧化皮，進(jìn)行磷化與皂化處理，其目的是降低毛坯金屬的變形抗力，并在毛坯表面形成一層附著力強(qiáng)的磷酸鹽薄膜，在冷擠壓過程中起潤滑作用。

在所研制的YK34J-1600五工位冷擠壓液壓機(jī)和五工位冷擠壓模具上，根據(jù)圖2所示工步圖的順序，采用手工操作進(jìn)行五工位的步進(jìn)式連續(xù)冷擠壓成形試驗，所得的輸入軸冷擠壓件如圖5所示。

試驗結(jié)果表明：所設(shè)計的輸入軸五工位冷擠壓工藝方案和模具結(jié)構(gòu)是合理可行的；所研制的YK34J-1600五工位冷擠壓液壓機(jī)的功能、精度及主要技術(shù)參數(shù)完全滿足軸類件多工位冷擠壓成形工藝要求。在確保液壓機(jī)滑塊與工作臺面的平行度、垂直度及導(dǎo)向精度的前提下，軸類冷擠壓件的同軸度偏差取決于上、下模板上各單元模具定位坑的同軸度精度，徑向尺寸偏差取決于擠壓凹模工作帶直徑的精度，軸向彎曲度偏差取決于擠壓凹模工作帶高度及表面粗糙度的一致性。通常，模具的尺寸精度要比擠壓件相應(yīng)的尺寸精度高1～2級，這樣可確保擠壓件達(dá)到或高于規(guī)定的尺寸精度要求。

目前，正在設(shè)計制造五工位步進(jìn)梁作為傳輸機(jī)械裝置，以便建立五工位冷擠壓自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)變速箱軸類件的自動化生產(chǎn)。