駐車齒輪冷擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化

文/袁海兵，李明明，楊益，黃偉，陳博文·江蘇森威精鍛有限公司

駐車齒輪作為汽車減速機的重要組成零件，其作用是當汽車切換到P 擋時，起到停止機構(gòu)的作用。駐車齒輪在工作時承受的載荷很高，因此在實際加工生產(chǎn)過程中要求具有較高的性能。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車零部件的需求也逐漸提高，相較于傳統(tǒng)的切削加工或采用熱鍛與切削相結(jié)合的方式來加工，冷擠壓工藝具有提高齒面強度，節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點。

有限元模擬采用一組數(shù)學方程和定解條件將實際過程抽象的理論模型，通過計算機求得該理論模型在不同條件下的數(shù)值解，以此推測在相應(yīng)條件下所發(fā)生的實際過程。得益于計算機技術(shù)的發(fā)展，其使設(shè)計人員能夠在計算機上分析金屬成形、熱處理等過程，而不需要通過反復試驗來分析；Deform 軟件是對在一個集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導和成形設(shè)備特性，并基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元模擬分析軟件。在冷、溫、熱成形模擬中，實現(xiàn)了對材料流動、模具填充、鍛造負荷、模具應(yīng)力、晶粒流動和缺陷的產(chǎn)生提供了可視化的動態(tài)展示和有效的預(yù)測，被廣泛的應(yīng)用于鍛造行業(yè)的前期設(shè)計及后期優(yōu)化。它幫助工程技術(shù)人員設(shè)計工件和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場試驗成本，提高模具設(shè)計效率，降低生產(chǎn)和材料成本，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期。

駐車齒輪的零件結(jié)構(gòu)特點決定了其實際生產(chǎn)中很容易出現(xiàn)齒部充填不滿或模具壽命較低的問題；針對上述問題，通過數(shù)值模擬對駐車齒輪在成形過程中的成形載荷、充填效果，并結(jié)合試驗設(shè)計，以降低成形載荷和提高充填效果為目標對駐車齒輪工藝方案進行優(yōu)化，設(shè)計出符合預(yù)期的成形工藝參數(shù)組合，對駐車齒輪成形工藝及其模具設(shè)計具有指導意義。

優(yōu)化模型的設(shè)計

圖1 為駐車齒輪現(xiàn)有冷擠壓工藝，坯料為利用車削加工獲得帶倒角的環(huán)形毛坯或者直接采用管材落料、制坯的方式獲得，因擠壓工藝為冷擠壓，需對坯料進行軟化處理，工藝采用球化退火降低其硬度并提高其成形塑性(球化率≥85%，硬度≤72HRB)，利用磷皂化處理提高其表面潤滑，擠壓后的毛坯為帶轂齒輪。

圖1 某駐車齒輪冷擠壓工藝

在生產(chǎn)過程中，遇到的主要問題是模具壽命偏低，較類似產(chǎn)品的模具壽命整體偏低20%左右，現(xiàn)場生產(chǎn)時需頻繁更換模具，即降低了班產(chǎn)又造成了模具成本的提高。影響模具壽命的主要因素為其成形載荷偏高，但因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和成形工藝基本固定，無法通過調(diào)整終鍛產(chǎn)品形狀或調(diào)整工藝步驟等方式來降低成形載荷，只有在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上，通過調(diào)整坯料的形狀來降低成形載荷，從而提高模具壽命。

經(jīng)公司專家頭腦風暴討論、查閱相關(guān)齒輪類產(chǎn)品研究資料,同時結(jié)合公司類似產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗，分析認為，倒角角度α、倒角高度h、芯軸直徑d1、分流口直徑d2等4 個參數(shù)對擠壓過程存在較大影響，最終設(shè)計的優(yōu)化模型如圖2 所示。其中，倒角角度α、倒角高度h 可以有效減少模具接觸時間，在盡可能長的時間內(nèi)將材料盡可能多的充填到齒形部分，從而實現(xiàn)延緩最大載荷的形成時間，提高模具的使用壽命；分流口直徑d2可有效降低成形載荷，其通過增加材料流動通道，使材料可以更加通暢的進入到齒輪轂，從而實現(xiàn)降低材料流動阻力，實現(xiàn)降低成形載荷；d1與d2的差值為輪轂的厚度，該數(shù)值越大，材料沿軸向流動的阻力越小，但是坯料過多的流向輪轂方向后，齒輪部分不容易充滿。

圖2 優(yōu)化模型

試驗參數(shù)的設(shè)計

試驗設(shè)計(DOE)被高校、科研等機構(gòu)廣泛應(yīng)用，從航天業(yè)到一般生產(chǎn)制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量改善、工藝流程優(yōu)化甚至已運用到醫(yī)學界。其通過對產(chǎn)品質(zhì)量、工藝參數(shù)的量化分析，尋找關(guān)鍵因素，控制與其相關(guān)的因素。根據(jù)實際需求，判別與選擇不同的試驗設(shè)計種類，設(shè)計試驗步驟，發(fā)現(xiàn)如何控制各種影響因素，以最少的投入換取最大的收益，從而使產(chǎn)品質(zhì)量得以提升，工藝流程最優(yōu)化。

田口DOE是一種低成本、高效益的質(zhì)量工程方法。田口試驗設(shè)計，能以較少的樣本直觀的分析每個因子對響應(yīng)變量的影響規(guī)律和影響大小，其對試驗方案和試驗結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計，可以保證每個因子的各個水平比較平衡，從而大大減少試驗次數(shù)，縮短試驗時間，降低設(shè)計成本和提高設(shè)計質(zhì)量。

結(jié)合前文分析，將倒角角度α、倒角高度h、芯軸直徑d1、分流口直徑d2作為影響成形載荷及充填效果的主要影響參數(shù)，考慮到試驗設(shè)計的準確度和試驗過程的工作量，計劃采用4 因素4 水平的正交設(shè)計，對照現(xiàn)有工藝參數(shù)設(shè)計各個參數(shù)及其水平值(表1)，同時將相關(guān)水平值帶入到正交試驗表中，優(yōu)化方案的設(shè)計試驗見表2，其中最后一欄為初始工藝參數(shù)，其相關(guān)模擬后處理數(shù)據(jù)作為本次試驗的比較基準。

表1 試驗參數(shù)設(shè)計

表2 優(yōu)化方案設(shè)計試驗表

CAE 模型的建立及后處理分析

利用三維軟件對其建模(圖3)，考慮到產(chǎn)品的幾何對稱性，建模選取1/18 模型，以提高模擬精度和縮短后期模擬時間。

圖3 Deform 模型

利用Deform 軟件對坯料進行前處理，材料選取材料庫中齒軸材料Din-20MnCr5，利用Deform 軟件對坯料進行四面體的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量設(shè)定為50000 個，坯料設(shè)定為塑性體；因模擬過程中不需要對模具進行變形分析，故將模具設(shè)定為剛性體。設(shè)定摩擦條件為剪切摩擦，摩擦因子為0.12，凸模運動速度為15mm/s，模擬溫度為20℃；考慮到模擬目的主要為研究成形噸位和充填效果，不需要對擠壓過程中的溫度場的變化進行跟蹤分析，為進一步提高模擬運算速度，模擬過程不考慮熱力耦合。

根據(jù)前文分析內(nèi)容，通過降低成形載荷的噸位的方式來提高模具壽命，理想情況下，成形載荷越小，所能達到的效果越好。利用Deform 的后處理模塊，可以直觀地觀察到各個模擬方案在成形過程中的噸位變化(圖4)。通過分析Deform 模擬出各方案的成形噸位F，可以看出不同工藝方案模擬所得成形噸位有明顯差異，為建立統(tǒng)一的分析基準，將其中峰值噸位記錄到試驗表中。

圖4 步數(shù)-載荷圖

為了更直觀的分析各因素對成形載荷的影響，利用相關(guān)軟件，將試驗數(shù)據(jù)輸入其中，并對其進行分析，生成載荷的均值主效應(yīng)圖如圖5 所示。從圖5 中可直觀的看出，成形載荷隨分流口直徑d2變化而變化，且成單調(diào)負相關(guān)，即分流口直徑越大，成形載荷越??；倒角角度a、倒角高度h 對成形載荷的影響較小，且無明顯趨勢；相比較而言，成形載荷與芯軸直徑d1呈非單調(diào)變化，但整體呈正相關(guān)趨勢，分析認為，φ27mm和φ28mm存在異常的主要原因可能是因為模擬樣本數(shù)量不足，局部分析可能存在失真。

圖5 載荷均值的主效應(yīng)圖

綜合各因素的主效應(yīng)圖和模擬的成形載荷F 分析，確定優(yōu)化結(jié)果并與初始方案進行對比，詳見表3，載荷降低了10.1%左右。

表3 優(yōu)化結(jié)果

通過前文分析，我們知道，芯軸直徑和分流口直徑的變化會對齒輪表面的充填效果有所影響，優(yōu)化后的方案雖然成形載荷有所降低，但考慮到方案的經(jīng)濟性和實用性，還需要對齒輪的材料利用率進行進一步的分析。本文模擬過程中，采用相同質(zhì)量、體積的坯料進行模擬。通過Deform 后處理的距離分析模塊，在同一基準條件下使用測量命令，測量出初始方案和優(yōu)化方案的封閉高度，通過對兩種方案封閉高度的對比，分析齒輪的材料利用率。

通過后處理分析可以發(fā)現(xiàn)，初始方案的封閉高度H=20.9891mm，優(yōu)化后的封閉高度H=19.7586mm，優(yōu)化后的材料利用率為初始方案的94.1%左右(圖6)。

圖6 初始方案和優(yōu)化方案的封閉高度

利用試驗設(shè)計方案，結(jié)合成形載荷和材料利用率，最終實現(xiàn)駐車齒輪冷擠壓參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化倒角角度α=30°，倒角高度h=3mm，芯軸直徑d1=27mm，分流口直徑d2=48mm；與初始方案相比，成形載荷降低了10.1%左右，材料利用率為94.1%，較好地完成了優(yōu)化任務(wù)。

結(jié)論

⑴通過對不同試驗方案的模擬對比分析，驗證了不同參數(shù)條件下對成形載荷的變化影響，實現(xiàn)了降低成形載荷的試驗?zāi)康?；⑵基于DOE 的分析驗證，確定了各參數(shù)對成形載荷的影響程度分別為：分流口直徑＞芯軸直徑＞倒角角度＞倒角高度；⑶利用數(shù)值模擬技術(shù)，對生產(chǎn)過程進行了有效預(yù)測，并基于模擬結(jié)果，用于指導生產(chǎn)過程的設(shè)計優(yōu)化，為該零件的生產(chǎn)提供了參考。