离合器齿毂型轧成形研究

申昱，方璇璇，卢知渊

离合器齿毂型轧成形研究

申昱1，方璇璇1，卢知渊2

（1.上海交通大学 材料科学与工程学院 塑性成形技术与装备研究院，上海 200030；2.内蒙古第一机械集团股份有限公司工艺研究所，内蒙古 包头 014000）

针对具有复杂特征的离合器齿毂类零件加工成本高、精度低等问题，开展型轧成形工艺研究。分析型轧成形工艺的相关运动规律、材料流动及回弹特点；采用筒形件作为坯料，设计并加工成工装模具，确定相关成形工艺参数。成形芯轴锥度确定为0.025，成形所得高精度离合器齿毂零件尺寸公差为±0.15 mm。利用型轧工艺可实现高精度离合器齿毂类零件的制造；成形件侧壁存在显著径向回弹现象，且回弹程度沿底部至口部逐渐增加；成形件回弹由减薄后的残余应力和产品周向回弹引起；成形件的回弹可通过优化芯轴锥度及调整材料减薄量进行补偿。所得成果可为此类零件型轧成形工艺及工装模具的开发提供一定依据。

离合器齿毂；型轧；回弹；减薄

随着经济的发展，全球范围内节能减排的环保压力日益增大，对装备及车辆行业的动力传动系统提出了更为苛刻的减重及操控舒适性的要求[1]。离合器齿毂类零件作为动力传动系统的关键部件之一，具有复杂的内外齿特征，在精度、服役性能、重量及生产成本方面承受了较高的要求，其制造工艺面临着极大的挑战。截至目前，离合器齿毂类零件的制造工艺主要为机加工和成形两大类，机加工方式存在着一些局限性，如材料流线不完整导致服役性能下降、产品减重有限、生产工序复杂、生产率及材料利用率较低、生产成本较高等；成形方式主要是利用板料成形薄壁离合器齿毂类零件的加工方式，可以确保产品具有高精度、优秀的表面质量及服役性能、较低的生产成本，有利于实现批量生产，满足轻量化、高强度要求。

截至目前，已有不少国内外学者和机构开展了离合器齿毂类零件成形工艺的相关研究。Lee等[2]采用拉深和挤压复合工艺成形出了离合器齿毂，并根据冲头形状、冲头圆角和减薄比等工艺变量估算了内齿形的尺寸精度。Wu等[3]改进了一种弯曲与翻边工艺成形离合器毂的方法。高文静等[4]研究了径向成形该类零件的工艺。郑秋[5]针对齿形离合器内毂和外毂，进行了冲锻成形工艺分析及其模具设计。魏雅新等[6]对齿形离合器毂进行了冲挤复合成形工艺研究。马飞等[7]研究了离合器齿毂在旋压成形过程中的合理成形参数取值。刘左发等[8]针对某汽车离合器齿毂冷挤压成形中出现的各种缺陷，运用基于Pareto解的多目标遗传算法对模型进行迭代寻优，获得了最优工艺参数。尽管目前已有一些关于离合器齿毂类零件冲压、旋压及精密成形的相关研究[9-12]，但这些成形工艺仍存在工艺及模具复杂、产品精度偏低、成本偏高等不足。

另一种离合器齿毂成形类的工艺是型轧工艺。齿毂型轧工艺最初是由Grob公司的Krapfenbauer和Ernst Grob开创并发展[13]。美国艾利逊、德国ZF、日本爱信等众多自动变速器厂商均采用型轧工艺生产离合器齿毂类零件。Kurz[14]利用滑移线场理论、有限元法和视塑性法对型轧工艺的理论方面进行了分析和描述，并计算出了型轧过程中所涉及的成形力和工件的变形量。Krapfenbauer[15]研究了型轧成形技术在零件批量生产中的应用情况，讨论了型轧成形工艺，并对成形件的精度进行了分析。Merklein等[16]研究了此类零件的型轧成形工艺。Ko等[17]研究了离合器齿毂型轧工艺，并验证了最终产品的尺寸精度。崔凤奎[18]研究了渐开线花键轴型轧过程中的运动系统和数学模型，揭示了型轧过程中的动态响应规律及应力波对成形的影响机理。张丰收等[19]分析了转速、进给量及滚轧道次等多组成形参数对工件表层残余应力的影响规律。闫江等[20]利用型轧工艺开展了具有内外齿特征的离合器齿毂成形研究。

尽管型轧成形的齿毂类零件具有材料流线连续、生产效率高等优点，但薄壁特征导致齿毂类零件型轧后会出现明显回弹，会严重影响产品尺寸精度，这成为了亟待解决的关键问题。因此，文中在分析型轧工艺相关运动规律、材料流动特点的基础上，选取典型离合器齿毂产品，以薄壁筒形件为坯料，开展齿毂型轧工艺及回弹研究，试制出满足精度要求的离合器齿毂零件。

1 型轧成形

作为一种特殊成形工艺，型轧成形是一种基于专用成形设备及相匹配的工装，利用该设备与工装的相对运动，实现对材料渐进成形的工艺。该工艺不同于传统成形工艺，是一种多因素复合的复杂增量成形工艺，在成形过程中会伴随着高速冲击、大变形、局部短时加载卸载等多种复杂因素的影响。型轧成形工艺示意图如图1所示，其中a为辊轮，b为芯轴，c为成形件。

图1 型轧成形示意图

1.1 型轧成形运动规律

由图1可知，在型轧成形中，处于芯轴对侧的2个辊轮同步绕轴进行对向高速转动，运动中会挤压固定于芯轴上的筒形毛坯，在局部形成内外侧齿形。芯轴的运动为复合运动，可分解为同步沿轴的平动和绕轴的转动。平动运动形成产品轴方向的内外侧特征，转动运动形成产品圆周方向的内外侧特征。芯轴与辊轮的运动需满足一定的传动比，以确保实现整个齿毂类零件的成形。

1.2 型轧成形材料变形特点

型轧成形工装模具的复杂运动规律导致成形过程中材料的变形特点与传统成形工艺的变形特点不同。型轧变形示意图如图2所示，在辊轮与芯轴的协调运动下，在成形过程中辊轮每公转一周，会对毛坯产生一次滚压，使芯轴沿轴向进给一定距离，同时进行一次分度转动，转过一个齿的角度，如此周而复始，直至所有齿形沿筒体高度方向成形完成。型轧成形过程可看作是大量沿轴向和周向微小变形叠加的结果，具有增量成形的特点，成形载荷较小。

图2 型轧变形示意图[10]

变形区材料呈现出挤压和剪切变形特点，这会导致筒体伸长、筒壁减薄；同时，材料在芯轴和辊轮的约束下，还呈现出弯曲变形。辊轮与芯轴存在显著的速度差，成形中筒体内外侧材料的流动速度差异显著，这会导致产品存在显著残余应力，进而产生底部小口部大的锥度，降低产品精度。因此，芯轴沿轴线方向设计出一定的锥度（沿筒体底部至口部截面逐渐缩小），可对成形件进行回弹补偿以提高产品精度。

2 齿毂型轧成形研究

基于前述型轧工艺相关运动规律和材料流动特点，文中选择某离合器齿毂作为研究对象，开展齿毂型轧成形工艺研究。齿毂产品要求如图3所示，共36组内外齿，成形件总高度为66 mm，外齿齿顶圆直径ao=（136.75±0.15）mm，外齿齿根圆直径fo= 132 mm，内齿齿顶圆直径ai=（132.75±0.15）mm，内齿齿根圆直径fi=（126.15±0.15）mm，成形用毛坯为内径133 mm、厚度4 mm、高56 mm的筒形件，材料为QSTE420TM，其相关力学性能参数如表1所示。

图3 产品要求

表1 QSTE420TM材料力学性能参数

Tab.1 Mechanical property parameters of QSTE420TM

2.1 成形工装相关参数

根据产品尺寸及公差要求，芯轴齿形轮廓取产品内齿轮廓，考虑到产品壁厚差的要求，辊轮齿形轮廓取产品最小壁厚处的外齿轮廓。芯轴设计出一定锥度以进行回弹补偿，根据已有相关实验数据，芯轴锥度（芯轴上下端面直径差与芯轴高度之比）设计为0.025，如图4所示。

图4 芯轴示意图

2.2 齿毂型轧成形及回弹规律研究

基于前述的工装模具，开展了齿毂型轧成形研究。型轧成形的齿毂零件如图5所示。

图5 成形的齿毂零件

进一步对成形件的回弹开展研究。成形件轴向高度示意图如图6所示，距成形件筒底一定轴向距离处，沿外齿顶圆周等角度选取12个点，测量相应外齿顶圆直径，取所测外齿顶圆直径的平均值与产品设计尺寸按式（1）计算回弹量。

图6 成形件轴向高度示意图

式中：Dm为测量直径；Dp为产品设计直径。回弹量的分布规律如图7所示。由图7可以看出，不同工艺条件下成形的回弹量均呈现出随距底部距离的增大而增大的规律。

由图7可以看出，成形件的回弹量随着距底部距离的增大而增大。造成这一现象主要有两方面的原因：一方面，在齿毂型轧成形中，成形件靠近辊轮一侧的材料沿轴线方向承受较大的残余压应力，使成形件侧壁均产生朝向产品外侧的径向弯曲，随着距成形件底部距离的增大，成形件底部对侧壁的约束减小，侧壁的弯曲变形逐渐增大，由此导致产品发生径向回弹，且该回弹量随着距产品底部距离的增大而增大；另一方面，成形件侧壁各处沿圆周方向存在着使产品曲率减小的回弹，且该回弹会增大产品直径，随着距产品底部距离的增加，产品底部约束影响减小。两方面回弹的叠加共同导致了产品的回弹量随着距底部距离的增大而增大。

针对上述产品的回弹现象，一方面可在成形工装设计阶段利用芯轴的锥度进行回弹补偿，另一方面，可通过调整辊轮中心距，改变产品轴线方向不同高度处的压下量，改变局部残余应力引起的弯曲力矩及局部曲率，从而实现对产品的回弹补偿。图8为调整压下量后齿毂的回弹量，可以发现，回弹量得到了显著改善，产品尺寸公差在±0.15 mm范围内，满足产品精度要求。

图8 调整压下量后齿毂回弹量

3 结论

1）利用型轧工艺可实现高精度离合器齿毂类零件的制造。

2）成形件侧壁存在显著的径向回弹现象，且该回弹量沿成形件底部至口部逐渐增加。

3）成形件的回弹由减薄后的残余应力及产品周向回弹引起。

4）成形件的回弹可通过芯轴设计锥度及对产品不同位置处设置不同的材料减薄量进行补偿，进而成形出满足精度的齿毂。

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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

特种车辆及其传动系统智能制造国家重点实验室开放课题（GZ2019KF004）；2020年“科技兴蒙”上海交通大学行动专项

申昱（1974—），男，博士，副教授，主要研究方向为精密塑性成形、微成形。

责任编辑：蒋红晨