倒锥结合齿精密锻造成型工艺研究

鞠丽　金俊松　李文新

摘 要 研究一种倒锥结合齿精密锻造成型工艺，以同步器结合齿圈为例，从产品出发，详述热锻、冷精整、挤倒锥各工步设计方法，利用DEFORM 3D模拟分析各工步工艺设计中应该重点关注的细节，简述模具设计、加工方法，以及实际生产中应该注意的问题。经过两轮的实验验证符合设计预期，满足产品要求。

关键词 结合齿；倒锥结合齿；精密锻造；DEFORM 3D；模具制造；五轴高速加工

中图分类号 TG37 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）11-0072-02

为了防止变速器自动脱档，变速器中结合齿部越来越多的趋向于采用倒锥结合齿，倒锥角度一般为4°～7°，常用插齿和挤齿加工。插齿工艺中，从锻造毛坯到粗车、精车、插齿、去毛刺、结合齿倒110°、铣端面油槽、热后磨凸端面等，工序多时间长。挤齿成形，即将加工出的直齿在专用设备上挤压出倒锥，工序多挤齿刀具寿命极短。齿轮精密锻造成形是一种近净成型技术，可将结合齿部位直接锻出免于加工，锻造流线完整，齿部性能更优。

1 结合齿产品分析

图1是一款锁环式双锥同步器，其工作原理是：外摩擦環4和内环6通过六爪连接，中间环5和结合齿圈7通过凸台连接，换挡时滑动齿套1在换挡力P的作用下与锁止销2脱离向左运动与外摩擦环4啮合，外摩擦环4带动内环6通同时压向中间环5，中间环5的内、外锥面均受到摩擦力矩的作用转速迅速与外摩擦环4和内环6趋同，在转速相同的瞬间换挡力P带动滑动啮合套1顺利地与结合齿圈7啮合，完成换挡。

工作过程显示在换挡时同步器结合齿圈不承担传动功能，其齿部精度较传动齿轮精度要求低；为便于啮合和防止脱档，结合齿部有锁止角α和倒锥角β。

2 精锻工艺方案确定

根据同步器结合齿圈的功能要求，其精锻件的主要特点为：1）齿部包括锁止角α和倒锥角β均为非加工，其余部位有少量余量车削；2）齿部精度要求一般为IT8～IT9级，粗糙度为Ra3.2；3）齿部圆角极小，一般要求R0.25以下。

为满足上述要求，并综合考虑成形工艺和设备，最终将精锻工艺确定为：

热锻→冲孔→毛坯软化→表面润滑→冷精整 倒锥。

3 工步图设计及精锻模具设计

1）冷锻件图设计。冷锻件图是在成品图基础上，在上下端面、内外圆等位置加量0.5mm～1mm。齿部保持产品尺寸并适当调整，增加锻造圆角，凸圆角R0.25，凹圆角R0.5。锻出齿部锁止角、倒锥角。

2）工步图设计及型腔设计。倒锥和冷精整均为常温锻造，主要差别在齿部是否有倒锥。热锻工步有镦粗、预锻、终锻三步，镦粗工步的主要作用是预成型和去除氧化皮；预锻工步没有锻出齿形，以便于放入终锻型腔；终锻工步需考虑精整变形量、热胀量等。由于是闭式无飞边锻造成形，必须精确控制坯料重量和端面质量，并考虑好前一工步到下一工步时坯料的准确定位。热锻预留的齿部变形量应合理，保证冷精整时齿部充填容易，操作上坯料易于放入齿模。型腔设计除要遵从工步图外，还涉及冷热尺寸配合、模具压装前后尺寸变化、坯料加热温度的影响、模具温度的影响、锻打时打击力的影响、锻件氧化皮损耗补偿等等。齿部参数的选择和确定，以及齿部附近锻造余块的选择很关键。热锻齿形一般预留单边0.1mm～0.2mm的变形量，圆角部位也较大，为R0.5-R1；冷精整时齿形达到产品尺寸，圆角部位充填更加饱满，凸圆角至R0.25，凹圆角至R0.5；倒锥时齿形不变，主要是形成倒锥角β，轴向方向上齿厚由大端至小端的变化。如果齿部参数不合理，则冷精整时不易保证尺寸；余块选择不当，则会导致打击力极大，对成形和锻打设备不利。

3）数值模拟分析。利用DEFORM 3D进行有限元模拟分析。镦粗直径会影响到齿部的充填效果，镦粗坯料放入预锻型腔时必须定位准确；预锻保证上模位置不能挤出毛刺，以避免转180°放入终锻齿模时在齿部留下折叠等锻造缺陷。由于热锻到冷精整的变形量很小，并且冷态时齿部充填非常困难，因此，热锻件齿部必须充填饱满。热锻时如果没有前文所述减重槽部位增加的锻造余块，则冷锻时打击力会非常大，对锻压设备和齿模都是非常不利的。另外，在模拟中也可以明显看到热锻终锻时减重槽处如果预设一个很小的角度，则可以明显降低冷精整时的打击力。冷精整时齿部要完全达到产品尺寸，以便倒锥工步只是少量变形形成锥角，从而保护较为脆弱的倒锥

模具。

4）模具结构及模具加工。镦粗、预锻工步用常规模具结构；终锻工步以及冷精整模具均设计成带有环形下顶出的结构，以防止顶出时锻件变形。热锻和冷精整的齿模部分采用应力圈结构以更好的保证锻件尤其是的尺寸精度和尺寸稳定性。模具加工是结合齿精锻的另一关键环节。结合齿模具模数小齿数多，型腔较深，采用电火花加工效率低，表面硬化层需手工抛光，工作量大。采用先进的五轴高速加工技术加工，工序少加工周期短效率高，模具尺寸稳定。

4 需要注意的一些细节

生产时，热锻工序加热温度1170±30℃，能得到充满性较好的热锻件，温度过低齿部不易充满，打击力大，模具寿命差，温度过高氧化皮厚。为保证冷精整时齿部尺寸稳定性，毛坯软化时最好用气氛保护炉，防止严重的二次氧化。表面清理采用转台抛丸机或手工喷砂，喷砂效率较低但表面效果优于抛丸。冷锻设备用肘杆式精压机，需事先调整好闭合高度，生产时根据冷锻件充满情况再微调闭合高度。倒锥模结构复杂安装难度较大，装配前务必将各个部件清洗擦拭干净。毛坯机加工时必须先以精锻出来的齿部锁止角一端定位车一面，再粗精车另一面至端面与锁止面棱线根部平齐。

5 结论

实际生产结合齿部带有倒锥角产品的厂家很少。上述工艺、模具、现场控制方法经过一段时间验证，满足产品要求，符合设计预期，总结如下：1）工艺采用热锻加冷精整成型，可保证产品精度和尺寸稳定性；2）利用DEFORM 3D有限元分析可以有效预防常规锻造缺陷，优化设计；3）模具加工采用先进的五轴高速加工技术完成，工序少加工周期短效率高；4）与插齿和加工后挤齿工艺相比，精密锻造成形倒锥结合齿效率更高，模具寿命长，产品尺寸精度稳定。

参考文献

[1]夏巨谌.材料成形工艺[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]夏巨谌.典型零件精密成形[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]晏爽，李普，潘秀秀，等.精密锻造成形技术的应用及其发展[J].热加工工艺，2013（15）：9-12.

[4]裘俊彦.倒锥形接合齿齿厚的量球测量法[J].水利电力机械，2004（1）.

[5]祝万钱，刘晓菲，陈国学.齿轮坯多工步闭式模锻工艺的优化研究[J].锻压技术，2005，30（s1）：115-118.