轎車變速器倒擋齒輪的冷精密成形

文／趙軍華，張艷偉，錢夏晨，王姜·江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司張俠·常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)齒輪齒形的精密成形的關(guān)注與期待越來越高，尤其是在世界制造業(yè)戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變期間，人們認(rèn)識(shí)到只有精密成形齒輪才能更好滿足傳動(dòng)系統(tǒng)重量輕、強(qiáng)度高、低成本制造的要求，勢(shì)將逐步取代切削齒輪，這是完全符合環(huán)保要求的“綠色”制造。當(dāng)前迫于原材料價(jià)格上漲和產(chǎn)品不斷降價(jià)的雙重壓力，零部件加工企業(yè)必須進(jìn)一步控制成本，提高材料利用率，不斷開發(fā)新的產(chǎn)品和采用新的生產(chǎn)技術(shù)。

結(jié)合多年來利用冷溫?zé)峋艹尚喂に囬_發(fā)各種精密成形件（即精鍛件）的經(jīng)驗(yàn)，我公司成功實(shí)現(xiàn)了汽車變速器倒擋齒輪的“綠色”鍛造，采用溫鍛預(yù)制坯冷精密成形工藝成功生產(chǎn)變速器倒擋齒輪，輪齒精度達(dá)到了GB/T 10095.1-2008 7級(jí)精度。

倒擋齒輪是汽車后退嚙合傳動(dòng)的關(guān)鍵零件

汽車變速器倒擋齒輪是汽車后退時(shí)嚙合傳動(dòng)的關(guān)鍵零件，在齒輪的每一個(gè)輪齒上設(shè)有倒棱，即在輪齒表面帶有30｀左右的倒錐。倒錐雖小，其作用非常重要，一方面確保汽車行駛穩(wěn)定，防止變速器中齒輪滑擋，同時(shí)保證在倒擋時(shí)能夠順暢的掛入擋位。一般來說，轎車變速器上最為薄弱的零件也是倒擋齒輪。為了提高倒擋齒輪強(qiáng)度而隨意改變模數(shù)是不可能的，這是因?yàn)檗I車的外形尺寸固定，某一組嚙合齒輪的中心距也應(yīng)該是固定的，不能隨意變動(dòng)。如果要保證中心距不發(fā)生變化，又會(huì)影響到齒輪傳動(dòng)比。而通過采用精密成形倒擋齒輪，提高了齒輪的傳動(dòng)精度，保證了整車的質(zhì)量，就能使該問題很容易得到解決。

與切削齒輪的輪齒相比，精密成形倒擋齒輪的輪齒金屬纖維流線連續(xù)，彎曲疲勞強(qiáng)度提高20%～30%，壽命大大提高。轎車行駛時(shí)，在齒輪嚙合傳動(dòng)過程中，它不僅避免了切削齒輪輪齒齒根容易斷裂造成的事故和所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，也為主機(jī)生產(chǎn)廠大大節(jié)約了生產(chǎn)成本和市場(chǎng)成本。

國內(nèi)轎車行業(yè)只有少數(shù)企業(yè)生產(chǎn)的變速箱中采用精密成形倒擋齒輪，然而，由于其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量不能得到保證，因而絕大部分進(jìn)口或由外資企業(yè)生產(chǎn)，國內(nèi)真正實(shí)現(xiàn)其批量生產(chǎn)的企業(yè)極少，因此倒擋齒輪的市場(chǎng)前景非常好。

倒擋齒輪結(jié)構(gòu)特征及其生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)

倒擋齒輪是一種帶轂直齒輪。某轎車變速器用倒擋齒輪零件實(shí)物照片如圖1所示，該零件套裝在傳動(dòng)軸上，中空。小端為短軸，大端為齒輪，齒輪端面有20個(gè)齒，其零件圖如圖2所示。

圖1 某轎車變速器用倒擋齒輪

圖2 某轎車變速器倒擋齒輪零件圖

根據(jù)壓力加工原理和我們的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，該零件采用壓力加工成形是沒有問題的。在倒擋齒輪被汽車設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出來以后，一般企業(yè)的生產(chǎn)工藝就是先生產(chǎn)不將齒輪齒形加工出來的鍛坯，然后進(jìn)行機(jī)械加工外形尺寸和熱處理。后來才發(fā)展成將齒輪齒形模鍛成形出來。然而，普通熱模鍛件的齒形精度往往達(dá)不到使用要求或者質(zhì)量不穩(wěn)定。即使生產(chǎn)出來勉強(qiáng)裝配到汽車上也不能滿足使用要求，在汽車行駛過程中噪聲很大，轉(zhuǎn)向費(fèi)力，不靈活。

后來人們采用冷鍛成形，由于冷鍛力太大、對(duì)設(shè)備的噸位要求太大且模具壽命低，以及預(yù)制坯工藝過程復(fù)雜等一系列原因在企業(yè)生產(chǎn)中很少使用。因此人們?cè)跓徨戇^程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)坯料的加熱溫度、模鍛溫度及模鍛后的冷卻過程提出嚴(yán)格要求，在一定溫度范圍內(nèi)將該產(chǎn)品的齒形鍛出，這就是所謂的溫鍛。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)溫鍛件齒形的精度提出更高的要求。我公司就是在溫鍛件的基礎(chǔ)上再增加一道后續(xù)冷成形工藝，即采用溫鍛高精度制坯，然后進(jìn)行冷成形。通過溫鍛實(shí)現(xiàn)較高的塑性變形將齒形鍛出，通過微量變形的冷成形提高溫鍛齒形精度和表面質(zhì)量。使倒擋齒輪溫鍛件（預(yù)成形件）產(chǎn)品的齒形精度滿足技術(shù)要求。

其工藝路線大致為：下料→制坯→溫鍛預(yù)成形→退火→拋砂→潤滑處理→冷精密成形→車端面、去毛刺→倒錐擠壓成形→機(jī)加工→滲碳淬火。

倒擋齒輪輪齒的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式是先使用滾齒或插齒工藝粗加工齒形，再用剃齒工藝精加工齒形提高輪齒齒形精度；對(duì)于精度要求高的輪齒，熱處理滲碳后還需作磨齒、珩齒，這些加工需要昂貴的專業(yè)設(shè)備，生產(chǎn)效率低，很難滿足市場(chǎng)需要。

采用精密成形工藝生產(chǎn)倒擋齒輪，不需要增加投資，不需要采用切齒、倒棱加工設(shè)備，將機(jī)械加工難以實(shí)現(xiàn)的需要倒棱的輪齒成形，而且齒部也滿足精度要求，質(zhì)量穩(wěn)定，不但滿足人們輕松駕駛，行駛中噪聲低、容易換擋的要求，而且能大幅度降低生產(chǎn)成本。

倒擋齒輪的數(shù)值模擬分析

溫鍛預(yù)成形數(shù)值模擬

為給后續(xù)冷精密成形工藝制造高精度預(yù)制坯，設(shè)計(jì)溫鍛預(yù)成形件圖。溫鍛預(yù)成形件圖的設(shè)計(jì)也是保證倒擋齒輪冷精密成形開發(fā)成功的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)溫鍛預(yù)成形件圖時(shí)，要根據(jù)倒擋齒輪的結(jié)構(gòu)特征判斷坯料在溫鍛預(yù)成形時(shí)的金屬流動(dòng)特征和溫鍛預(yù)成形后溫鍛預(yù)成形件冷卻時(shí)的收縮量和彈性變形量，合理給出后續(xù)冷精密成形時(shí)的余量，特別是倒錐工序余量及其分布。

利用UG建立該模型如圖3所示。由UG分析功能計(jì)算出該模擬溫鍛預(yù)成形件體積，按體積不變?cè)瓌t，確定毛坯尺寸。在生產(chǎn)實(shí)踐中確定坯料尺寸的過程也是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。溫鍛模具模型也是采用UG軟件建立的。利用DEFORM-3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，設(shè)置參數(shù)如下：材料：AISI-5120（鍛件材質(zhì)為20CrMnTiH）；坯料溫度：(1150±15)℃；模具預(yù)熱溫度：200℃左右；摩擦因數(shù)：0.3；數(shù)值模擬得到的變形過程如圖4所示。

圖3 倒擋齒輪預(yù)鍛溫鍛件模型

圖4 預(yù)鍛溫鍛數(shù)值模擬的塑性變形過程

結(jié)合我廠的實(shí)際情況，為利于齒部充填飽滿，我們?cè)跍劐戭A(yù)成形件時(shí)，采用兩個(gè)主要工步成形，即第一步鐓粗成形和第二步鐓擠齒形。鐓粗成形的目的為合理分配毛坯體積，便于第二步鐓擠齒形時(shí)的定位及齒部充填。

將加熱到(1150±5)℃的毛坯鐓粗后，放入帶齒模芯的模膛之中；毛坯繼續(xù)鐓擠，此時(shí)毛坯的溫度大約為1100℃左右。金屬在模膛內(nèi)產(chǎn)生軸向、徑向流動(dòng)，逐步充填輪轂和齒部型腔，最終充填輪齒齒部、棱部，完成溫鍛預(yù)成形件的成形。

圖5所示為溫鍛預(yù)成形過程的流動(dòng)矢量圖，其運(yùn)動(dòng)矢量分布均勻、合理。圖6所示為數(shù)值模擬的溫鍛預(yù)成形過程壓力—時(shí)間曲線，成形載荷約3600kN。

圖5 溫鍛預(yù)成形件材料成形過程流動(dòng)矢量圖

冷精密成形數(shù)值模擬

溫鍛預(yù)成形件設(shè)計(jì)的合理與否，和后續(xù)冷精密成形能否獲得合格產(chǎn)品的關(guān)系極大。溫鍛預(yù)成形件設(shè)計(jì)不合理得到的溫鍛預(yù)成形件的質(zhì)量太低，就可能收不到理想的冷精密成形效果。其關(guān)鍵是要保證在冷精密成形過程中的受力和金屬流動(dòng)盡量均勻，要保證能提高輪齒的齒形精度。

將溫鍛預(yù)成形件模型重新劃分網(wǎng)格，設(shè)置冷精密成形模擬所需參數(shù)，數(shù)值模擬分析室溫下輪齒的金屬流動(dòng)，得到圖7所示的冷精密成形件。在冷精密成形過程中，上沖頭下壓，齒部材料被鐓擠完全充滿輪齒型腔，滿足高精度齒形成形。圖8所示為冷精密成形結(jié)束時(shí)成形件的等效應(yīng)變圖。

圖6 模擬溫鍛預(yù)成形終了時(shí)的壓力—時(shí)間曲線

倒擋齒輪的開發(fā)試制

下料、制坯

為保證毛坯內(nèi)部組織性能均勻和消除熱軋棒材表面缺陷，對(duì)棒材表面車削剝皮。精密鍛造對(duì)坯料的尺寸要求高，重量公差在±3g。對(duì)坯料尺寸的高精度要求是保證精密鍛造過程工藝正常和精鍛后的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的重要條件。

下料采用全自動(dòng)帶鋸床，帶鋸床優(yōu)點(diǎn)有：機(jī)床上鋸帶的速度可以無限制調(diào)整，利用鍍硬鉻圓柱來調(diào)整帶鋸床鋸架的上升與下降，鋸切參數(shù)數(shù)字通過可編程控制器（PLC）方便快捷設(shè)定，靈活設(shè)定、轉(zhuǎn)變鋸切模式，非常靈活的人機(jī)界面，在指定范圍內(nèi)，鋸床的進(jìn)給可以進(jìn)行調(diào)速，機(jī)床設(shè)置參數(shù)完成后，通過機(jī)械、電氣、液壓，具有自動(dòng)夾緊、自動(dòng)進(jìn)刀、切割完畢自動(dòng)快速上升（即退刀）、自動(dòng)送料的功能，無需人工操作，送料定位誤差小于0.02mm，定位非常精確，可以滿足毛坯尺寸精度要求，一致性較好，同時(shí)加工效率較高，綜合成本較低。

圖7 冷精密成形數(shù)值模擬件

圖8 冷精密成形數(shù)值模擬件的等效應(yīng)變

制坯工藝方法有：車床單件加工和全自動(dòng)剝皮、磨外圓生產(chǎn)線，全自動(dòng)剝皮、磨外圓生產(chǎn)線加工質(zhì)量和效率都比車床單件加工高，且剝皮前有校直工序，所以加工量可以減小，減少材料浪費(fèi)，是精密鍛造未來應(yīng)用方向，后續(xù)倒角采用車床和全自動(dòng)倒角機(jī)。

溫鍛預(yù)成形

根據(jù)數(shù)值模擬分析得到的負(fù)載，選取我公司FP-600型熱模鍛機(jī)械壓力機(jī)如圖9所示。熱模鍛機(jī)械壓力機(jī)精度高，剛性足，所生產(chǎn)的溫鍛預(yù)成形件可以滿足后續(xù)倒擋齒輪冷精密成形要求。圖10反映了溫鍛預(yù)成形變形過程，產(chǎn)品無折疊、裂紋缺陷。設(shè)備儀器表盤噸位顯示值范圍在3300～3600kN，與數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)接近。

在實(shí)際鍛造過程中，溫鍛預(yù)成形分兩步完成。必須控制溫鍛預(yù)成形需要的第一步預(yù)制件的形狀。倘若溫鍛預(yù)成形需要的第一步預(yù)制件的形狀不穩(wěn)定，例如材料過早流動(dòng)產(chǎn)生飛邊，將會(huì)影響第二步溫鍛預(yù)成形件齒部充填不能滿足后續(xù)冷精密成形的要求，也導(dǎo)致第二步溫鍛預(yù)成形時(shí)負(fù)載急劇上升，影響模具壽命和設(shè)備維修周期。第二步溫鍛預(yù)成形件一定要滿足后續(xù)冷精密成形對(duì)坯料的要求。

圖9 FP-600型熱模鍛機(jī)械壓力機(jī)

圖10 倒擋齒輪溫鍛預(yù)成形變形過程

生產(chǎn)時(shí)，將沾附有石墨的坯料在中頻感應(yīng)加熱裝置（KGPS03-250/2.5）中加熱至750～800℃，這時(shí)產(chǎn)生的氧化較少，幾乎無氧化現(xiàn)象發(fā)生。溫鍛預(yù)成形模具在加工制造時(shí)，模具模膛表面粗糙度要好。防止溫鍛預(yù)成形時(shí)變形力增加，溫鍛預(yù)成形后脫模困難，齒面劃傷。

將溫鍛預(yù)成形件做流線分析，可以看出整個(gè)金屬流線順暢、對(duì)稱，沒有流線間的折疊，如圖11所示，說明了倒擋齒輪溫鍛預(yù)鍛過程材料流動(dòng)合理。

冷精密成形

將溫鍛預(yù)鍛件退火處理后，清理表面、進(jìn)行潤滑處理，然后放入冷精密成形模具內(nèi)，通過鐓擠成形使齒部充填飽滿，提高齒部精度，獲得較好的齒面粗糙度。

圖11 溫鍛預(yù)鍛件金屬流線

圖12 精密成形件齒形精密測(cè)量結(jié)果

冷精密成形過程，對(duì)模具的制作精度要求高，對(duì)模膛精度要求更高，例如齒輪輪齒的制造精度要達(dá)到5～6級(jí)，型腔拋光處理。

倒錐成形

將冷精密成形后的鍛件車端面去毛刺，進(jìn)行表面潤滑處理，然后放入模具模膛擠壓成形30｀的倒錐。由于該錐度為30｀，精度要求高。外國人曾對(duì)我國長時(shí)間保守秘密。我國汽車的倒擋齒輪在相當(dāng)長的一個(gè)歷史時(shí)期是沒有倒錐的，即倒錐為零，致使我國汽車駕駛性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)長時(shí)間處于落后。

因?yàn)檫@個(gè)數(shù)據(jù)30｀很小，人們一開始用手感不容易發(fā)現(xiàn)，后來發(fā)現(xiàn)了覺得不好用機(jī)械加工，而且30｀的量值很小，也沒法測(cè)量。而倒錐的作用非常重要，它對(duì)汽車的行駛性能和安全性影響很大。因?yàn)闆]有倒錐，造成駕駛過程中換擋不靈活，不能順暢掛入擋位；而在行駛的過程中，變速器中齒輪容易滑擋，又影響行駛過程穩(wěn)定。

該倒錐成形同樣要求模具的輪齒模膛加工精度高，一般輪齒精度要求達(dá)到4級(jí)以上，因?yàn)樗苯記Q定了鍛件的齒形、齒向、齒距誤差。這樣，它就要求有高精度的加工模具設(shè)備和量具，還要有高精度高剛度的鍛壓設(shè)備，這樣才能有效地保證產(chǎn)品精度和生產(chǎn)過程穩(wěn)定。

先對(duì)鍛件冷精密成形過程數(shù)值模擬，確認(rèn)成形方案可行后，進(jìn)行初次開模；再根據(jù)冷精密成形件的輪齒尺寸、倒錐后鍛件輪齒尺寸及齒形、齒向、齒距誤差，對(duì)溫鍛預(yù)成形模、冷精密成形模、倒錐擠壓模模膛的輪齒尺寸做適當(dāng)?shù)墓に囌{(diào)整。

計(jì)算機(jī)模擬無疑是一個(gè)很重要的工具，在開發(fā)產(chǎn)品時(shí)其作用不可低估。然而，有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)非常重要。冷精密成形模和倒錐擠壓成形模開模往往需要2～3次的工藝調(diào)整才能最終滿足產(chǎn)品要求。

圖12為倒錐后倒擋齒輪齒部的精密測(cè)量結(jié)果，a是齒形誤差的檢查結(jié)果，左右齒面最大偏差為0.009 μm，b是齒向誤差的檢測(cè)結(jié)果，左右齒面最大偏差為0.0065μm，c是累積偏差和單一偏差的檢測(cè)結(jié)果，累積偏差和單一偏差分別為0.014μm和0.006μm，該齒形檢測(cè)報(bào)告結(jié)果顯示，我公司開發(fā)生產(chǎn)的倒擋齒輪的齒形精度完全符合圖紙要求。表1是倒擋齒輪齒形檢查結(jié)果匯總。

表1 倒擋齒輪精密成形件齒形檢查結(jié)果

結(jié)束語

我公司生產(chǎn)的汽車變速器倒擋齒輪現(xiàn)已通過了臺(tái)架試驗(yàn)、破壞性試驗(yàn)和路試等，有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際使用效果遠(yuǎn)好于切削加工倒擋齒輪，得到客戶認(rèn)可。