結(jié)合齒多工位自動(dòng)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(jié)合齒又稱帶離合器齒輪的斜齒傳動(dòng)齒輪，用于汽車變速器的傳動(dòng)、換檔，使換擋傳動(dòng)產(chǎn)生不同種級(jí)差。傳統(tǒng)的結(jié)合齒倒錐角采用插齒機(jī)切削加工來實(shí)現(xiàn)，這種方法生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品精度差，而且齒根部易產(chǎn)生應(yīng)力集中，金屬流線被切斷，強(qiáng)度降低。隨著汽車節(jié)能減排要求，變速箱設(shè)計(jì)越來越小，零部件的功能集中、形狀越來越復(fù)雜，作為世界性的潮流對齒輪精密鍛造的關(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)型升級(jí)期間，人們認(rèn)識(shí)到只有精鍛齒輪才能更好滿足重量輕、強(qiáng)度高、低成本制造的要求，也符合環(huán)保要求的綠色制造。

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合齒已大批量采用精鍛工藝生產(chǎn)，其產(chǎn)品精度高，使用性能好。精密鍛造成形的結(jié)合齒需求量大幅增加，現(xiàn)有的手動(dòng)鍛造已經(jīng)不能滿足批量生產(chǎn)的量和質(zhì)的要求，倒逼企業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，通過自動(dòng)化多工位生產(chǎn)工藝提升產(chǎn)能，保證產(chǎn)品批量生產(chǎn)的質(zhì)量一致性。因此，研究多工位自動(dòng)熱精鍛成形工藝對實(shí)現(xiàn)結(jié)合齒的多工位精密鍛造成形批量生產(chǎn)有重大意義。

成形工藝分析

多工位自動(dòng)熱模鍛壓力機(jī)包括自動(dòng)送料裝置、快速換模裝置、移動(dòng)噴嘴裝置、模具潤滑裝置等，多工位自動(dòng)熱模鍛相對于傳統(tǒng)的鍛造，具有過程質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、工件精度高、模具壽命高等優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)合齒多工位自動(dòng)熱精鍛成形工藝相對于傳統(tǒng)的手動(dòng)鍛造工藝，需要考慮各工位成形力的分布是否符合機(jī)床自身的偏載負(fù)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(xiàn)的彈跳問題，以及各工位放入模腔時(shí)定位穩(wěn)定等，這也為結(jié)合齒多工位自動(dòng)化熱精鍛工藝設(shè)計(jì)增加了更多的難點(diǎn)，考慮不周，會(huì)造成自動(dòng)化生產(chǎn)線無法正常生產(chǎn)。

圖1 為某轎車變速箱結(jié)合齒精密模鍛件示意圖，該產(chǎn)品月需求量為10 萬件。零件圖結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，有42 個(gè)均布的無需機(jī)械加工的倒錐形直齒(結(jié)合齒齒部)和3 個(gè)均布的定位凹槽，本文以此件為例闡述整體式結(jié)合齒的熱精鍛自動(dòng)成形工藝。

圖1 某轎車變速器結(jié)合齒精密模鍛件示意圖

成形工藝有限元模擬

根據(jù)零件圖和熱精鍛工藝特點(diǎn)，以及后續(xù)各工序余量分布設(shè)計(jì)結(jié)合齒熱精密鍛件圖，利用UG 建立該模型，如圖2 所示。根據(jù)UG 分析功能計(jì)算出熱精密鍛件體積，按體積不變原則，確定坯料尺寸，同時(shí)在UG 中建立熱精鍛模具模型。

圖2 結(jié)合齒熱精密模鍛件模型

我司原有的結(jié)合齒坯鍛造工藝為手動(dòng)多工位鍛造，各工位的成形壓力分別為500kN、3000kN、12000kN，為了符合機(jī)床的偏載負(fù)荷曲線，手動(dòng)鍛造時(shí)將三工位最終成形放置在手動(dòng)機(jī)床的中間工位。原工藝方案無法直接用于自動(dòng)化生產(chǎn)，為了保證夾爪自動(dòng)化夾持、搬運(yùn)，同時(shí)還要符合機(jī)床的偏載負(fù)荷曲線，需要設(shè)計(jì)符合自動(dòng)化生產(chǎn)的工藝方案。

根據(jù)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(yù)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(shè)計(jì)為三工位，一工位鐓粗的目的是去除中頻感應(yīng)加熱過程中產(chǎn)生的氧化皮；二工位預(yù)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(shè)置模擬所需參數(shù)，模具初始溫度設(shè)為200℃，坯料初始溫度設(shè)為1150℃。其他設(shè)置參數(shù)為：材料AISI-5120(鍛件材質(zhì)為20CrMnTiH)，坯料溫度1150℃，模具預(yù)熱溫度200℃，摩擦系數(shù)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(yù)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(dòng)矢量圖，其運(yùn)動(dòng)矢量分布均勻、合理。圖7 為成形過程壓力-行程曲線，預(yù)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(dòng)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(xù)鐓粗，金屬徑向流動(dòng)，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(dòng)矢量圖，其運(yùn)動(dòng)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(yù)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(dòng)矢量圖

圖10 方案二的模擬成形壓力-行程曲線

根據(jù)DEFORM-3D 模擬分析結(jié)果顯示：方案一和方案二在成形過程中金屬流動(dòng)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(gè)方案：方案一各個(gè)工位受力情況更加符合機(jī)床的抗偏載要求，同時(shí)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(jī)床抗偏載要求，但二、三工位受力偏差長期較大，容易導(dǎo)致設(shè)備及模架磨損異常。

由此得出第一種方案更加適合自動(dòng)化鍛造。機(jī)床偏載負(fù)荷曲線如圖11 所示。

圖11 機(jī)床偏載負(fù)荷曲線圖

夾持位置及模具潤滑

為保證全自動(dòng)熱模鍛過程生產(chǎn)穩(wěn)定，模具設(shè)計(jì)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(diǎn)：零工位的送料基準(zhǔn)和模具高度及鍛件的頂出高度，其中零工位的送料基準(zhǔn)為固定值。在鍛造過程中機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)，過高的頂出高度會(huì)使得鍛件頂出后發(fā)生傾斜，導(dǎo)致夾爪無法穩(wěn)定夾持。

圖12 機(jī)械手夾持位置

自動(dòng)送料裝置如圖13 所示，相對傳統(tǒng)的手動(dòng)鍛造，送料位置精確，可以同時(shí)搬送各工位鍛件，能夠保證機(jī)床滿工位打擊。全自動(dòng)鍛造系統(tǒng)在提高產(chǎn)量的同時(shí)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(dòng)噴嘴裝置，模具能夠得到均勻有效的冷卻及潤滑。

圖13 自動(dòng)送料裝置

圖14 移動(dòng)噴嘴裝置

工程驗(yàn)證

根據(jù)第一種工藝方案設(shè)計(jì)相關(guān)模具，經(jīng)多工位自動(dòng)熱精鍛成形調(diào)試，成功試制了結(jié)合齒精密模鍛件，如圖15 所示。

圖15 結(jié)合齒精密模鍛件

結(jié)合齒精密模鍛件流線如圖16 所示，可以看出整個(gè)金屬流線順暢、對稱。通過該流線反映的特征，也進(jìn)一步證實(shí)了熱鍛過程材料塑性流動(dòng)合理，與模擬結(jié)果吻合。

圖16 結(jié)合齒精密模鍛件流線

結(jié)束語

⑴通過數(shù)值分析確認(rèn)，方案一的成形工藝各個(gè)工位受力更加符合機(jī)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(dòng)化鍛造。

⑵通過工程驗(yàn)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(shè)計(jì)合理，數(shù)值模擬準(zhǔn)確可靠。

我司通過工藝優(yōu)化，設(shè)備升級(jí)，完成了結(jié)合齒齒坯的多工位自動(dòng)熱鍛成形，有效解決了傳統(tǒng)手動(dòng)鍛造存在的工作環(huán)境惡劣、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)過程不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，符合客戶需求量大，質(zhì)量要求高，過程控制穩(wěn)定等要求，增強(qiáng)了企業(yè)適應(yīng)能力和競爭力，同時(shí)適應(yīng)了企業(yè)智能化升級(jí)改造的需求，為公司的智能化車間的建立提供了基礎(chǔ)。