结合齿多工位自动热精锻成形工艺研究

文／张艳伟，钱夏晨，徐骥，赵军华，刘亚琴·江苏太平洋精锻科技股份有限公司

汽车变速器结合齿又称带离合器齿轮的斜齿传动齿轮，用于汽车变速器的传动、换档，使换挡传动产生不同种级差。传统的结合齿倒锥角采用插齿机切削加工来实现，这种方法生产效率低、产品精度差，而且齿根部易产生应力集中，金属流线被切断，强度降低。随着汽车节能减排要求，变速箱设计越来越小，零部件的功能集中、形状越来越复杂，作为世界性的潮流对齿轮精密锻造的关注与期待越来越高，尤其是在世界制造业战略性转型升级期间，人们认识到只有精锻齿轮才能更好满足重量轻、强度高、低成本制造的要求，也符合环保要求的绿色制造。

随着汽车工业技术的发展，结合齿已大批量采用精锻工艺生产，其产品精度高，使用性能好。精密锻造成形的结合齿需求量大幅增加，现有的手动锻造已经不能满足批量生产的量和质的要求，倒逼企业进行转型升级，通过自动化多工位生产工艺提升产能，保证产品批量生产的质量一致性。因此，研究多工位自动热精锻成形工艺对实现结合齿的多工位精密锻造成形批量生产有重大意义。

成形工艺分析

多工位自动热模锻压力机包括自动送料装置、快速换模装置、移动喷嘴装置、模具润滑装置等，多工位自动热模锻相对于传统的锻造，具有过程质量稳定、生产效率高、工件精度高、模具寿命高等优点。

结合齿多工位自动热精锻成形工艺相对于传统的手动锻造工艺，需要考虑各工位成形力的分布是否符合机床自身的偏载负荷曲线，模具的顶出高度是否符合夹爪的夹持位置，锻件顶出过程中出现的弹跳问题，以及各工位放入模腔时定位稳定等，这也为结合齿多工位自动化热精锻工艺设计增加了更多的难点，考虑不周，会造成自动化生产线无法正常生产。

图1 为某轿车变速箱结合齿精密模锻件示意图，该产品月需求量为10 万件。零件图结构相当复杂，有42 个均布的无需机械加工的倒锥形直齿(结合齿齿部)和3 个均布的定位凹槽，本文以此件为例阐述整体式结合齿的热精锻自动成形工艺。

图1 某轿车变速器结合齿精密模锻件示意图

成形工艺有限元模拟

根据零件图和热精锻工艺特点，以及后续各工序余量分布设计结合齿热精密锻件图，利用UG 建立该模型，如图2 所示。根据UG 分析功能计算出热精密锻件体积，按体积不变原则，确定坯料尺寸，同时在UG 中建立热精锻模具模型。

图2 结合齿热精密模锻件模型

我司原有的结合齿坯锻造工艺为手动多工位锻造，各工位的成形压力分别为500kN、3000kN、12000kN，为了符合机床的偏载负荷曲线，手动锻造时将三工位最终成形放置在手动机床的中间工位。原工艺方案无法直接用于自动化生产，为了保证夹爪自动化夹持、搬运，同时还要符合机床的偏载负荷曲线，需要设计符合自动化生产的工艺方案。

根据成形工艺分析，为了合理分配各工位的成形压力，降低模具受力，提高模具寿命，制定了两种多工位锻造方案。第一种方案如图3 所示：一工位分配坯料体积；二工位预成形齿形；三工位最终成形。第二种方案如图4 所示：与方案一相同也设计为三工位，一工位镦粗的目的是去除中频感应加热过程中产生的氧化皮；二工位预锻镦粗的目的是分配坯料体积；三工位最终成形。

图3 方案一

图4 方案二

利用DEFORM-3D 模拟分析软件设置模拟所需参数，模具初始温度设为200℃，坯料初始温度设为1150℃。其他设置参数为：材料AISI-5120(锻件材质为20CrMnTiH)，坯料温度1150℃，模具预热温度200℃，摩擦系数0.3。

方案一最终模拟得到的主要变形过程如图5 所示。坯料分料后，放入二工位预成形模具，二工位初步成形出齿形，三工位最终成形出齿部及卡槽部位。图6 为成形过程中材料流动矢量图，其运动矢量分布均匀、合理。图7 为成形过程压力-行程曲线，预测到的成形载荷约9000kN。

图5 方案一主要变形过程模拟

图6 方案一成形过程材料流动矢量图

图7 方案一的模拟成形压力-行程曲线

方案二最终模拟得到的主要变形过程如图8 所示。坯料镦粗后，放入二工位模具，坯料继续镦粗，金属径向流动，逐步充填三工位齿部型腔，最终完全充满齿部倒锥部位及卡槽部位，图9 为成形过程中材料流动矢量图，其运动矢量分布均匀、合理。图10为模拟的成形过程压力-行程曲线，预测到的成形压力约11000kN。

图8 方案二主要变形过程模拟

图9 方案二成形过程材料流动矢量图

图10 方案二的模拟成形压力-行程曲线

根据DEFORM-3D 模拟分析结果显示：方案一和方案二在成形过程中金属流动都比较合理；方案一各工位成形压力分别为1500kN、6000kN、9000kN；方案二各工位成形压力分别为500kN、3000kN、11000kN。

对比两个方案：方案一各个工位受力情况更加符合机床的抗偏载要求，同时由于在二工位初步成形出齿部，使三工位成形过程中模具齿部型腔受力明显降低，大幅提高了三工位模具寿命；方案二各工位受力情况也能符合机床抗偏载要求，但二、三工位受力偏差长期较大，容易导致设备及模架磨损异常。

由此得出第一种方案更加适合自动化锻造。机床偏载负荷曲线如图11 所示。

图11 机床偏载负荷曲线图

夹持位置及模具润滑

为保证全自动热模锻过程生产稳定，模具设计过程中需要考虑夹爪的夹持位置，如图12 所示，影响夹爪夹持位置的主要因素有两点：零工位的送料基准和模具高度及锻件的顶出高度，其中零工位的送料基准为固定值。在锻造过程中机床产生振动，过高的顶出高度会使得锻件顶出后发生倾斜，导致夹爪无法稳定夹持。

图12 机械手夹持位置

自动送料装置如图13 所示，相对传统的手动锻造，送料位置精确，可以同时搬送各工位锻件，能够保证机床满工位打击。全自动锻造系统在提高产量的同时也意味着增加了成形模具的热传递和热承载量，通过图14 所示的移动喷嘴装置，模具能够得到均匀有效的冷却及润滑。

图13 自动送料装置

图14 移动喷嘴装置

工程验证

根据第一种工艺方案设计相关模具，经多工位自动热精锻成形调试，成功试制了结合齿精密模锻件，如图15 所示。

图15 结合齿精密模锻件

结合齿精密模锻件流线如图16 所示，可以看出整个金属流线顺畅、对称。通过该流线反映的特征，也进一步证实了热锻过程材料塑性流动合理，与模拟结果吻合。

图16 结合齿精密模锻件流线

结束语

⑴通过数值分析确认，方案一的成形工艺各个工位受力更加符合机床的抗偏载要求，三工位成形过程中模具齿部型腔受力明显降低，大幅提高了三工位模具寿命，由此得出第一种方案更加适合自动化锻造。

⑵通过工程验证，方案一成形工艺零件填充饱满，无裂纹等缺陷，说明多工位锻造成形工艺与夹持位置设计合理，数值模拟准确可靠。

我司通过工艺优化，设备升级，完成了结合齿齿坯的多工位自动热锻成形，有效解决了传统手动锻造存在的工作环境恶劣、生产效率低、生产过程不稳定等缺点，符合客户需求量大，质量要求高，过程控制稳定等要求，增强了企业适应能力和竞争力，同时适应了企业智能化升级改造的需求，为公司的智能化车间的建立提供了基础。