駐車齒輪冷鍛成形技術(shù)研究

袁海兵，陳 榮，李明明，倪亞玲，朱 衛(wèi)，楊 益

（江蘇森威精鍛有限公司，江蘇 大豐 224100）

駐車齒輪作為汽車減速機(jī)的重要組成零件，其作用是在汽車行駛至P檔時(shí)，起到停止機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。齒輪主要是通過傳統(tǒng)的切削加工或采用熱鍛與切削相結(jié)合的方式來加工，生產(chǎn)成本高且費(fèi)時(shí)[1]。近年來，為了提高齒輪零件的安全性能和力學(xué)性能，同時(shí)應(yīng)對(duì)汽車零部件企業(yè)的成本壓力，越來越多的齒輪開始采用精鍛成形技術(shù)[2]。齒輪的冷精鍛成形工藝具有提高強(qiáng)度、節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)。

本文以某駐車齒輪為研究對(duì)象，基于剛塑性有限元理論，利用有限元分析軟件為工具，對(duì)駐車齒輪冷鍛分流成形工藝展開研究，探尋其流動(dòng)規(guī)律，成形狀況及成形力，為其生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 鍛件圖分析

圖1所示為駐車齒輪鍛件圖，是根據(jù)某車型駐車齒輪的零件圖、技術(shù)要求及其鍛造成形工藝特點(diǎn)繪制而成的，鍛件材料為27CrMo4，對(duì)應(yīng)的三維模型如圖2所示。該零件為帶轂的直齒輪，其中，轂部為工藝設(shè)計(jì)的分流臺(tái)階，后續(xù)通過車削的方式進(jìn)行切除，而齒輪部分為工作部分而不希望進(jìn)行后續(xù)加工。對(duì)齒廓部分提出了較高的要求，齒廓相對(duì)于自身輪廓的≤0.15，表面粗糙度Ra≤2.0，故根據(jù)冷鍛工藝成形的特征，可以完全滿足該零件的各項(xiàng)要求。

圖1 駐車齒輪鍛件圖

圖2 駐車齒輪鍛件三維模型

2 冷鍛工藝設(shè)計(jì)

一般而言，直齒圓柱齒輪冷精鍛過程中主要存在成形困難、工作載荷大和模具壽命低的問題[3]。因此如何在較低的成形載荷條件下，獲得齒形相對(duì)飽滿的合格零件并提高模具壽命備受關(guān)注。劉全坤等提出改變模具幾何形狀來改變金屬的塑性流動(dòng)，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)齒輪充填飽滿，成形效果較好[4]；胡成亮等人提出了一種帶轂直齒輪精鍛的新工藝，研究結(jié)果表明，可以在較低載荷條件下獲得齒形飽滿的齒輪鍛件[5]；施衛(wèi)兵等人應(yīng)用正交模擬試驗(yàn)結(jié)合多島遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化以及工程試驗(yàn)相結(jié)合的方法，得出分流口直徑是影響成形力大小的最主要因素的結(jié)論，并成功提高了結(jié)合齒類零件的模具壽命[6]。

目前，對(duì)駐車齒輪冷鍛成形的工藝研究較少，本文借助前人研究的基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合本公司在冷鍛生產(chǎn)上的經(jīng)驗(yàn)，制定了如圖3所示工步圖。從圖3中可以看出，鍛造前通過機(jī)加工的方式，獲得符合工藝需求的環(huán)料，在批量生產(chǎn)時(shí)可通過定制管材用來進(jìn)一步降低成本；對(duì)分流口直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)同時(shí)對(duì)上、下模具幾何形狀的優(yōu)化，獲得較低的成形載荷和較為理想的充填效果。

3 數(shù)值模擬分析

圖3 駐車齒輪工步圖

考慮到幾何對(duì)稱性，建模取1/18模型，如圖4所示；材料數(shù)據(jù)選用Deform-3D材料庫(kù)中通用齒輪用鋼DIN-20MnCr5材料；摩擦條件采用剪切摩擦模型，摩擦因子設(shè)為0.12；凸模速度選為15mm/s。

圖4 有限元模型

3.1 充填效果分析

圖5所示為駐車齒輪精鍛過程中的充填效果情況云圖。從圖中可以看出，在50%壓下量時(shí)，齒輪下部分已經(jīng)有材料明顯填充齒輪模腔，但齒頂未接觸模具；在75%壓下量時(shí)，齒輪下部分已經(jīng)部分材料已經(jīng)填充完成，齒頂已經(jīng)開始接觸模具；而在100%壓下量時(shí)，整個(gè)齒面完全貼合模具，充填良好。因此，模具幾何形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)很好地解決了齒輪充填效果問題。

3.2 等效應(yīng)力分析

圖5 充填效果云圖

圖6 精整后制件與模具最小距離云圖

圖6所示為駐車齒輪精鍛過程中的等效應(yīng)力情況云圖。從圖中可以看出，在50%壓下量時(shí)，齒輪下端的等效應(yīng)力較大，該部分率先發(fā)生塑性變形；在75%壓下量時(shí)，整個(gè)齒部已經(jīng)出現(xiàn)較大的等效應(yīng)力，此時(shí)整個(gè)齒面已經(jīng)發(fā)生劇烈的塑性變形；在100%壓下量時(shí)，此時(shí)成形終了，由于保壓作用，此時(shí)整個(gè)齒面仍保持較高的等效應(yīng)力。從云圖中可以看出，成形過程中，最大等效應(yīng)力約為700MPa左右，且齒部的等效應(yīng)力分布較為均勻。

3.3 成形載荷分析

圖7所示為駐車齒輪精鍛過程中載荷-行程曲線。從圖上可以看出，曲線走勢(shì)可分2個(gè)階段，首先毛坯在凸模作用下與凹模接觸，開始進(jìn)入塑性變形階段，此時(shí)齒頂圓未跟模具接觸，成形力緩慢上升；隨著凸模的繼續(xù)下壓，壓下量在8.5mm左右時(shí)材料已經(jīng)于齒頂接觸，成形載荷開始急劇上直至成形終了。總體來看，齒形填充滿的時(shí)候，載荷力最大，最大成形載荷約為600t左右，成形力較低，工藝實(shí)現(xiàn)較為方便。

圖7 載荷-行程曲線

4 工藝試驗(yàn)

根據(jù)給出的方案進(jìn)行工藝試驗(yàn)，在經(jīng)過下料→球化退火→制坯→拋丸→磷皂化→成形等工藝流程后，獲得如圖8所示的駐車齒輪制件。仔細(xì)觀察制件，齒形處成形飽滿，雖然在的過渡R弧處有輕微的不飽滿現(xiàn)象，但滿足設(shè)計(jì)要求，且與模擬結(jié)果基本吻合。工藝試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了模擬分析的可靠性，同時(shí)也證明了改進(jìn)方案可行性。

圖8 工藝試驗(yàn)件與模擬件對(duì)比

5 結(jié)語

（1）針對(duì)齒形充填不飽滿的現(xiàn)象，基于對(duì)模具幾何形狀的優(yōu)化，較好地解決了齒輪充填效果的問題。

（2）針對(duì)成形力過高的問題，基于對(duì)分流口直徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在較低載荷的情況下獲得了較為理想的齒輪填充效果。

（3）通過數(shù)值模擬分析，從充填效果、等效應(yīng)力與成形載荷等方面進(jìn)行分析，較好地預(yù)測(cè)了工藝的試驗(yàn)結(jié)果，并完成了相應(yīng)的工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，所得試制件齒部充填效果良好，成形載荷較低，滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)該類零件的實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。