離合器齒轂型軋成形研究

申昱，方璇璇，盧知淵

離合器齒轂型軋成形研究

申昱1，方璇璇1，盧知淵2

（1.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 塑性成形技術(shù)與裝備研究院，上海 200030；2.內(nèi)蒙古第一機械集團(tuán)股份有限公司工藝研究所，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

針對具有復(fù)雜特征的離合器齒轂類零件加工成本高、精度低等問題，開展型軋成形工藝研究。分析型軋成形工藝的相關(guān)運動規(guī)律、材料流動及回彈特點；采用筒形件作為坯料，設(shè)計并加工成工裝模具，確定相關(guān)成形工藝參數(shù)。成形芯軸錐度確定為0.025，成形所得高精度離合器齒轂零件尺寸公差為±0.15 mm。利用型軋工藝可實現(xiàn)高精度離合器齒轂類零件的制造；成形件側(cè)壁存在顯著徑向回彈現(xiàn)象，且回彈程度沿底部至口部逐漸增加；成形件回彈由減薄后的殘余應(yīng)力和產(chǎn)品周向回彈引起；成形件的回彈可通過優(yōu)化芯軸錐度及調(diào)整材料減薄量進(jìn)行補償。所得成果可為此類零件型軋成形工藝及工裝模具的開發(fā)提供一定依據(jù)。

離合器齒轂；型軋；回彈；減薄

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球范圍內(nèi)節(jié)能減排的環(huán)保壓力日益增大，對裝備及車輛行業(yè)的動力傳動系統(tǒng)提出了更為苛刻的減重及操控舒適性的要求[1]。離合器齒轂類零件作為動力傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，具有復(fù)雜的內(nèi)外齒特征，在精度、服役性能、重量及生產(chǎn)成本方面承受了較高的要求，其制造工藝面臨著極大的挑戰(zhàn)。截至目前，離合器齒轂類零件的制造工藝主要為機加工和成形兩大類，機加工方式存在著一些局限性，如材料流線不完整導(dǎo)致服役性能下降、產(chǎn)品減重有限、生產(chǎn)工序復(fù)雜、生產(chǎn)率及材料利用率較低、生產(chǎn)成本較高等；成形方式主要是利用板料成形薄壁離合器齒轂類零件的加工方式，可以確保產(chǎn)品具有高精度、優(yōu)秀的表面質(zhì)量及服役性能、較低的生產(chǎn)成本，有利于實現(xiàn)批量生產(chǎn)，滿足輕量化、高強度要求。

截至目前，已有不少國內(nèi)外學(xué)者和機構(gòu)開展了離合器齒轂類零件成形工藝的相關(guān)研究。Lee等[2]采用拉深和擠壓復(fù)合工藝成形出了離合器齒轂，并根據(jù)沖頭形狀、沖頭圓角和減薄比等工藝變量估算了內(nèi)齒形的尺寸精度。Wu等[3]改進(jìn)了一種彎曲與翻邊工藝成形離合器轂的方法。高文靜等[4]研究了徑向成形該類零件的工藝。鄭秋[5]針對齒形離合器內(nèi)轂和外轂，進(jìn)行了沖鍛成形工藝分析及其模具設(shè)計。魏雅新等[6]對齒形離合器轂進(jìn)行了沖擠復(fù)合成形工藝研究。馬飛等[7]研究了離合器齒轂在旋壓成形過程中的合理成形參數(shù)取值。劉左發(fā)等[8]針對某汽車離合器齒轂冷擠壓成形中出現(xiàn)的各種缺陷，運用基于Pareto解的多目標(biāo)遺傳算法對模型進(jìn)行迭代尋優(yōu)，獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)。盡管目前已有一些關(guān)于離合器齒轂類零件沖壓、旋壓及精密成形的相關(guān)研究[9-12]，但這些成形工藝仍存在工藝及模具復(fù)雜、產(chǎn)品精度偏低、成本偏高等不足。

另一種離合器齒轂成形類的工藝是型軋工藝。齒轂型軋工藝最初是由Grob公司的Krapfenbauer和Ernst Grob開創(chuàng)并發(fā)展[13]。美國艾利遜、德國ZF、日本愛信等眾多自動變速器廠商均采用型軋工藝生產(chǎn)離合器齒轂類零件。Kurz[14]利用滑移線場理論、有限元法和視塑性法對型軋工藝的理論方面進(jìn)行了分析和描述，并計算出了型軋過程中所涉及的成形力和工件的變形量。Krapfenbauer[15]研究了型軋成形技術(shù)在零件批量生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，討論了型軋成形工藝，并對成形件的精度進(jìn)行了分析。Merklein等[16]研究了此類零件的型軋成形工藝。Ko等[17]研究了離合器齒轂型軋工藝，并驗證了最終產(chǎn)品的尺寸精度。崔鳳奎[18]研究了漸開線花鍵軸型軋過程中的運動系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型，揭示了型軋過程中的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律及應(yīng)力波對成形的影響機理。張豐收等[19]分析了轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量及滾軋道次等多組成形參數(shù)對工件表層殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。閆江等[20]利用型軋工藝開展了具有內(nèi)外齒特征的離合器齒轂成形研究。

盡管型軋成形的齒轂類零件具有材料流線連續(xù)、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，但薄壁特征導(dǎo)致齒轂類零件型軋后會出現(xiàn)明顯回彈，會嚴(yán)重影響產(chǎn)品尺寸精度，這成為了亟待解決的關(guān)鍵問題。因此，文中在分析型軋工藝相關(guān)運動規(guī)律、材料流動特點的基礎(chǔ)上，選取典型離合器齒轂產(chǎn)品，以薄壁筒形件為坯料，開展齒轂型軋工藝及回彈研究，試制出滿足精度要求的離合器齒轂零件。

1 型軋成形

作為一種特殊成形工藝，型軋成形是一種基于專用成形設(shè)備及相匹配的工裝，利用該設(shè)備與工裝的相對運動，實現(xiàn)對材料漸進(jìn)成形的工藝。該工藝不同于傳統(tǒng)成形工藝，是一種多因素復(fù)合的復(fù)雜增量成形工藝，在成形過程中會伴隨著高速沖擊、大變形、局部短時加載卸載等多種復(fù)雜因素的影響。型軋成形工藝示意圖如圖1所示，其中a為輥輪，b為芯軸，c為成形件。

圖1 型軋成形示意圖

1.1 型軋成形運動規(guī)律

由圖1可知，在型軋成形中，處于芯軸對側(cè)的2個輥輪同步繞軸進(jìn)行對向高速轉(zhuǎn)動，運動中會擠壓固定于芯軸上的筒形毛坯，在局部形成內(nèi)外側(cè)齒形。芯軸的運動為復(fù)合運動，可分解為同步沿軸的平動和繞軸的轉(zhuǎn)動。平動運動形成產(chǎn)品軸方向的內(nèi)外側(cè)特征，轉(zhuǎn)動運動形成產(chǎn)品圓周方向的內(nèi)外側(cè)特征。芯軸與輥輪的運動需滿足一定的傳動比，以確保實現(xiàn)整個齒轂類零件的成形。

1.2 型軋成形材料變形特點

型軋成形工裝模具的復(fù)雜運動規(guī)律導(dǎo)致成形過程中材料的變形特點與傳統(tǒng)成形工藝的變形特點不同。型軋變形示意圖如圖2所示，在輥輪與芯軸的協(xié)調(diào)運動下，在成形過程中輥輪每公轉(zhuǎn)一周，會對毛坯產(chǎn)生一次滾壓，使芯軸沿軸向進(jìn)給一定距離，同時進(jìn)行一次分度轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)過一個齒的角度，如此周而復(fù)始，直至所有齒形沿筒體高度方向成形完成。型軋成形過程可看作是大量沿軸向和周向微小變形疊加的結(jié)果，具有增量成形的特點，成形載荷較小。

圖2 型軋變形示意圖[10]

變形區(qū)材料呈現(xiàn)出擠壓和剪切變形特點，這會導(dǎo)致筒體伸長、筒壁減??；同時，材料在芯軸和輥輪的約束下，還呈現(xiàn)出彎曲變形。輥輪與芯軸存在顯著的速度差，成形中筒體內(nèi)外側(cè)材料的流動速度差異顯著，這會導(dǎo)致產(chǎn)品存在顯著殘余應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生底部小口部大的錐度，降低產(chǎn)品精度。因此，芯軸沿軸線方向設(shè)計出一定的錐度（沿筒體底部至口部截面逐漸縮?。?，可對成形件進(jìn)行回彈補償以提高產(chǎn)品精度。

2 齒轂型軋成形研究

基于前述型軋工藝相關(guān)運動規(guī)律和材料流動特點，文中選擇某離合器齒轂作為研究對象，開展齒轂型軋成形工藝研究。齒轂產(chǎn)品要求如圖3所示，共36組內(nèi)外齒，成形件總高度為66 mm，外齒齒頂圓直徑ao=（136.75±0.15）mm，外齒齒根圓直徑fo= 132 mm，內(nèi)齒齒頂圓直徑ai=（132.75±0.15）mm，內(nèi)齒齒根圓直徑fi=（126.15±0.15）mm，成形用毛坯為內(nèi)徑133 mm、厚度4 mm、高56 mm的筒形件，材料為QSTE420TM，其相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

圖3 產(chǎn)品要求

表1 QSTE420TM材料力學(xué)性能參數(shù)

Tab.1 Mechanical property parameters of QSTE420TM

2.1 成形工裝相關(guān)參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品尺寸及公差要求，芯軸齒形輪廓取產(chǎn)品內(nèi)齒輪廓，考慮到產(chǎn)品壁厚差的要求，輥輪齒形輪廓取產(chǎn)品最小壁厚處的外齒輪廓。芯軸設(shè)計出一定錐度以進(jìn)行回彈補償，根據(jù)已有相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，芯軸錐度（芯軸上下端面直徑差與芯軸高度之比）設(shè)計為0.025，如圖4所示。

圖4 芯軸示意圖

2.2 齒轂型軋成形及回彈規(guī)律研究

基于前述的工裝模具，開展了齒轂型軋成形研究。型軋成形的齒轂零件如圖5所示。

圖5 成形的齒轂零件

進(jìn)一步對成形件的回彈開展研究。成形件軸向高度示意圖如圖6所示，距成形件筒底一定軸向距離處，沿外齒頂圓周等角度選取12個點，測量相應(yīng)外齒頂圓直徑，取所測外齒頂圓直徑的平均值與產(chǎn)品設(shè)計尺寸按式（1）計算回彈量。

圖6 成形件軸向高度示意圖

式中：Dm為測量直徑；Dp為產(chǎn)品設(shè)計直徑?；貜椓康姆植家?guī)律如圖7所示。由圖7可以看出，不同工藝條件下成形的回彈量均呈現(xiàn)出隨距底部距離的增大而增大的規(guī)律。

由圖7可以看出，成形件的回彈量隨著距底部距離的增大而增大。造成這一現(xiàn)象主要有兩方面的原因：一方面，在齒轂型軋成形中，成形件靠近輥輪一側(cè)的材料沿軸線方向承受較大的殘余壓應(yīng)力，使成形件側(cè)壁均產(chǎn)生朝向產(chǎn)品外側(cè)的徑向彎曲，隨著距成形件底部距離的增大，成形件底部對側(cè)壁的約束減小，側(cè)壁的彎曲變形逐漸增大，由此導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生徑向回彈，且該回彈量隨著距產(chǎn)品底部距離的增大而增大；另一方面，成形件側(cè)壁各處沿圓周方向存在著使產(chǎn)品曲率減小的回彈，且該回彈會增大產(chǎn)品直徑，隨著距產(chǎn)品底部距離的增加，產(chǎn)品底部約束影響減小。兩方面回彈的疊加共同導(dǎo)致了產(chǎn)品的回彈量隨著距底部距離的增大而增大。

針對上述產(chǎn)品的回彈現(xiàn)象，一方面可在成形工裝設(shè)計階段利用芯軸的錐度進(jìn)行回彈補償，另一方面，可通過調(diào)整輥輪中心距，改變產(chǎn)品軸線方向不同高度處的壓下量，改變局部殘余應(yīng)力引起的彎曲力矩及局部曲率，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品的回彈補償。圖8為調(diào)整壓下量后齒轂的回彈量，可以發(fā)現(xiàn)，回彈量得到了顯著改善，產(chǎn)品尺寸公差在±0.15 mm范圍內(nèi)，滿足產(chǎn)品精度要求。

圖8 調(diào)整壓下量后齒轂回彈量

3 結(jié)論

1）利用型軋工藝可實現(xiàn)高精度離合器齒轂類零件的制造。

2）成形件側(cè)壁存在顯著的徑向回彈現(xiàn)象，且該回彈量沿成形件底部至口部逐漸增加。

3）成形件的回彈由減薄后的殘余應(yīng)力及產(chǎn)品周向回彈引起。

4）成形件的回彈可通過芯軸設(shè)計錐度及對產(chǎn)品不同位置處設(shè)置不同的材料減薄量進(jìn)行補償，進(jìn)而成形出滿足精度的齒轂。

[1] 趙升噸, 孟德安, 董鵬. 車輛自動變速器齒形離合器轂的合理制造工藝探討[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2018, 53(4): 65-69.

ZHAO Sheng-dun, MENG De-an, DONG Peng. Discussion on Manufacturing Processes of Gear Clutch Hub for Automatic Transmission of Vehicle[J]. China Metalforming Equipment & Manufacturing Technology, 2018, 53(4): 65-69.

[2] LEE J M, KIM B M, KANG C G. A Study on the Cold Ironing Process for the Drum Clutch with Inner Gear Shapes[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2005, 46(6): 640-650.

[3] WU H C, ALTAN T. Process Optimization in Stamping—A Case Study for Flanging a Clutch Hub from Steel Plate[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2004, 146(1): 8-19.

[4] 高文靜, 雷君相, 郭豐偉. 薄壁轂齒形徑向成形工藝研究[J]. 塑性工程學(xué)報, 2018, 25(3): 73-80.

GAO Wen-jing, LEI Jun-xiang, GUO Feng-wei. Research on Radial Forming Process of Thin-Walled Hub Tooth[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2018, 25(3): 73-80.

[5] 鄭秋. 轎車齒形離合器轂體沖鍛成形工藝研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2013: 9-18.

ZHENG Qiu. Study on Stamping-Forging Forming Process for Car Clutch Hubs with Gear Shape[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2013: 9-18.

[6] 魏雅新, 陳澤中. 齒形離合器轂沖擠復(fù)合成形工藝[J]. 塑性工程學(xué)報, 2016, 23(1): 16-20.

WEI Ya-xin, CHEN Ze-zhong. Research on Stamping-Extruding Hybrid Forming of Drum Clutch with Gear[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2016, 23(1): 16-20.

[7] 馬飛, 鄧強, 陳建華, 等. 工藝參數(shù)對帶內(nèi)齒離合器轂旋壓成形過程影響[J]. 塑性工程學(xué)報, 2014, 21(2): 121-123.

MA Fei, DENG Qiang, CHEN Jian-hua, et al. Effect of Processing Parameter on the Power Spinning of Clutch Hub with Inner Tooth[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2014, 21(2): 121-123.

[8] 劉左發(fā), 馮文杰, 陳瑩瑩. 離合器外齒轂冷擠壓成形工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化[J]. 塑性工程學(xué)報, 2020, 27(4): 13-20.

LIU Zuo-fa, FENG Wen-jie, CHEN Ying-ying. Multi-Objective Optimization of Cold Extrusion Forming Process Parameters for Clutch Outer Gear Hub[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2020, 27(4): 13-20.

[9] 厙軍威. DSG雙離合器盤轂沖壓成形仿真研究[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2014: 7-15.

SHE Jun-wei. Research on Stamping Forming Simulation of Disk Hub for DSG Dual Clutch[D]. Changchun: Jilin University, 2014: 7-15.

[10] 李志遠(yuǎn), 鄧強, 丑西平, 等. 帶內(nèi)齒離合器轂體旋壓成形設(shè)備[J]. 模具制造, 2015, 15(10): 11-13.

LI Zhi-yuan, DENG Qiang, CHOU Xi-ping, et al. The Spinning Forming Equipment with Internal Gear Clutch Hub Body[J]. Die & Mould Manufacture, 2015, 15(10): 11-13.

[11] 鄭光文, 劉威, 白鳳梅. 離合器盤轂閉塞精密成形工藝研究[J]. 精密成形工程, 2012, 4(6): 22-24.

ZHENG Guang-wen, LIU Wei, BAI Feng-mei. Research on Closed Precision Forming Technology of Clutch Disc Hub[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2012, 4(6): 22-24.

[12] 范酉根, 吳延昭, 韓榮玲, 等. 變速器外轂件齒形強力旋壓成形研究[J]. 鍛壓技術(shù), 2015, 40(10): 44-48.

FAN You-gen, WU Yan-zhao, HAN Rong-ling, et al. Research on Power Spinning Tooth Profile of Transmission External Hub[J]. Forging & Stamping Technology, 2015, 40(10): 44-48.

[13] KRAPFENBAUER H. New Methods to Cold Roll Splines on Hollow Blanks[J]. European Production Engineering, 1994, 1(9): 39-43.

[14] KURZ N. Theoretical and Experimental Investigations of the “Grob” Cold Shape-Rolling Process[C]// Proceedings of the Twenty-Fifth International Machine Tool Design and Research Conference, Birmingham, 1985: 551-559.

[15] KRAPFENBAUER H. New Aspects for the Mass Production of Spur Gears by Cold Rolling[J]. IPE Int Ind Prod Eng, 1984, 8(3): 39-41.

[16] MERKLEIN M, ALLWOOD J, BEHRENS B, et al. Bulk Forming of Sheet Metal[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2012, 61(2): 725-745.

[17] KO D H, LEE S K, KWON Y N, et al. Improvement in Dimensional Accuracy of Roll-Die-Formed Clutch Hub Used in Automotive Transmission[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2012, 13(2): 237-243.

[18] 崔鳳奎. 高速精密冷滾打成形技術(shù)研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2007: 10-13.

CUI Feng-kui. Study of High-Speed Precise Forming with Cold Roll-Beating Technique[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2007: 10-13.

[19] 張豐收, 馮振, 崔鳳奎. 高速冷滾打成形殘余應(yīng)力研究[J]. 礦山機械, 2014, 42(6): 111-115.

ZHANG Feng-shou, FENG Zhen, CUI Feng-kui. Study on Residual Stress Generated during High-Speed Cold-Rolling Beat[J]. Mining & Processing Equipment, 2014, 42(6): 111-115.

[20] 閆江, 盧知淵, 宓寶江, 等. 薄壁筒形件內(nèi)外齒旋擠復(fù)合成形[J]. 鍛壓技術(shù), 2020, 45(3): 77-80.

YAN Jiang, LU Zhi-yuan, MI Bao-jiang, et al. Spinning-Extrusion Compound Forming of Inner-Outer Tooth for Thin-Walled Cylinder[J]. Forging & Stamping Technology, 2020, 45(3): 77-80.

Profile Rolling Process of Clutch Hub

SHEN Yu1, FANG Xuan-xuan1, LU Zhi-yuan2

(1. Institute of Forming Technology and Equipment, School of Material Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China; 2. Research Institute of Technology of Inner Mongolia First Machinery Group Co., Ltd., Inner Mongolia Baotou 014000, China)

The work aims to study the profile rolling process to solve the problems of high manufacturing cost and low precision of clutch hub with complex feature. The motion law, material flow and springback characteristics of profile rolling process were analyzed. Thin-walled cylinder was used as preformed part and then designed and processed to a tooling to determine relevant forming parameters. The mandrel taper was determined as 0.025 and the dimension tolerance of the formed high-precision clutch hub was ±0.15 mm. High-precision clutch hub can be formed by profile rolling process. The radius-direction springback of sidewall can be found explicitly in the formed part, which is increased from the bottom to the top of clutch hub. The springback is resulted from residual stress of thinning and circumferential springback, and can be compensated by the optimization of mandrel taper and the adjustment of thinning. Results obtained in this study provide reference for the development of profile rolling process and tooling of such parts.

clutch hub; profile rolling; springback; thinning

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.009

TG335

A

1674-6457(2022)08-0062-05

2021–09–30

特種車輛及其傳動系統(tǒng)智能制造國家重點實驗室開放課題（GZ2019KF004）；2020年“科技興蒙”上海交通大學(xué)行動專項

申昱（1974—），男，博士，副教授，主要研究方向為精密塑性成形、微成形。

責(zé)任編輯：蔣紅晨