汽车变速器输入轴塑性成形工艺
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法向模数 / mm 2. 25
齿数 21
表 1 汽车变速器输入轴齿形部分基本参数 Table 1 Teeth’s basic parameters of the input shaft of a vehicle gearbox
法向压力角 / ( °) 螺旋角 / ( °) 齿顶圆直径 / mm 齿根圆直径 / mm
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工程科学学报,第 37 卷,第 10 期
和闭式锻造,如图 5 所示. 图中,1—挤压方案的下模, 阶梯轴末端小直径段不与模具接触;2—闭式锻造方案 的下模;3—锻造方案的下顶杆. 2 与 3 形成封闭型腔. 锻造结果如图 6 所示.
图 5 轴部成形方法. ( a) 挤压方案;( b) 锻造方案 Fig. 5 Forming method of the shaft portion: ( a) extruding; ( b) forging
图 4 锻造模具 Fig. 4 Forged die
本文齿形与盲孔锻造实验在 1000 t 摩擦压力机上 完成, 实 测 锻 压 速 度 为 180 mm·s -1 , 采 用 水 基 石 墨 润滑.
2 结果与分析
2. 1 锻造工艺轴部成形方法对比 由于输入轴拥有长阶梯轴这一特殊结构,在成形
齿形和顶部盲孔的同时,轴部有两种成形方法,即挤压
图 3 楔横轧模具展开图 Fig. 3 Expanded view of the cross wedge rolling die
形模具,其在 1 中上下滑动;6—下模,成形轴部;7—待 锻造的阶梯轴;8—底座,起到固定支撑的作用. 1、2、3 和 5 组成浮动上模结构,不仅拥有了浮动凹模的各个 优点,而且由于齿形模具开口向下,不会出现普通浮动 凹模存在的模具齿形下角氧化皮和润滑剂残留的现 象,不会影响连续锻造.
工程科学学报,第 37 卷,第 10 期:1364--1369,2015 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 37, No. 10: 1364--1369, October 2015 DOI: 10. 13374 / j. issn2095--9389. 2015. 10. 017; http: / / journals. ustb. edu. cn
齿轮的使用寿命[1--3] . 随 着 塑 性 加 工 技 术 的 发 展, 楔 横 轧[4--5] 、 冷 挤
压[6--7] 等制坯方法已相对成熟,并得到广泛应用. 采用 楔横轧工艺可以高效加工阶梯轴坯料,但是上端待切 削成齿形的部分为轧件直径最大的位置,楔横轧一般 不对此位置进行加工,反而会因为加热过程恶化金属 性能;而且采用传统楔横轧制坯的方法,需要用直径大
楔横轧工艺的轧件如图 2 所示,为具有四段不同 直径的阶梯轴. 经过计算,轧制阶梯轴末端最小直径 处的断面收缩率超过 79% ,所以对于直径最小处采用 一次轧制成形困难,需 要பைடு நூலகம்二 次 起 楔[9--10] . 楔 横 轧 模 具 展开图如图 3 所示.
图 3 所示,楔横轧模具分为五部分:①楔入及展宽 段;②轧齐段;③精整段;④二次起楔段;⑤切分段. 因 为轧后的阶梯轴顶端在下一步锻造中成形齿形和盲 孔,所以可以在锻造不失稳的前提下缩小顶端直径,以 达到减小断面收缩率的目的. 经过对直径的调整,第 一次起楔的断面收缩率为 75% ,从而确定了展宽角为 8°,成形角为 18°;二次起楔的端面收缩率为 40% ,其 展宽角为 8°,成形角为 28°[11] . 1. 3 锻造模具设计
艺的要求,对最终锻件进行简化. 本文所进行实验与 分析的汽车变速器输入轴锻件模型与齿形部分基本参 数分别如图 1 和表 1 所示.
1 一火加热和轧锻结合复合工艺方法
1. 1 复合工艺过程 输入轴结构比较复杂,为了适应楔横轧和锻造工
图 1 汽车变速器输入轴实验模型 Fig. 1 Experimental model for the input shaft of a vehicle gearbox
此复合工艺中,楔横轧工艺只需要对直径小于齿 根圆直径的圆柱坯料进行轧制,断面收缩率较小,轧制 相对容易,模具使用寿命高. 锻造出顶端齿形不仅节 省原材料而且拥有更好的力学性能[8] ,在成形齿形的
同时还可以一起成形楔横轧无法加工出来的顶端盲孔 结构. 针对此输入轴,复合工艺相对传统楔横轧制坯 可以减少 16% 断面收缩率,节省 39% 优质钢材. 此复 合工艺方法只需一次加热,连续进行两步塑性加工,节 省能源保护环境. 1. 2 楔横轧模具设计
本文提出了一种一火加热和轧锻结合的复合工艺 方法对输入轴进行塑性加工,即采用圆柱形坯料只需 要一次加热,采用楔横轧工艺加工阶梯轴,然后采用锻 造工艺在阶梯轴顶端加工齿形和盲孔. 本文设计了楔 横轧及锻 造 模 具, 通 过 实 验 分 析 了 两 步 工 艺 过 渡 产 品———阶梯轴的尺寸对最终成形的影响. 通过对尺寸 的优化,采用此复合工艺加工成形阶梯轴.
图 6 成形的轴部 Fig. 6 Formed shaft portions
图 6 所示为挤压方案与闭式锻造方案轴部成形结 果对比. 为了方便观察金属向下流动,所以在锻造前 将挤压方案的阶梯轴下部进行车削加工,使交界面明 显. 图中可以明显看出锻造方案轴部出现明显折叠缺 陷,而挤压方案轴部填充饱满. 通过对锻造方案的锻 造过程进行分析发现,阶梯轴末端直径较小,其与模具 接触温降比较快,温降使得坯料的流动应力上升. 由 于阶梯轴比较长,上冲锻压阶梯轴的大端,大端流动应 力较小,所以先被镦粗成形齿轮. 当齿轮填充完毕后, 上冲继续下行填充轴部,由于下顶杆的阻碍,将轴部圆 角部分挤压出现折叠. 在挤压方案中,阶梯轴下部均 不与模具接触,锻造过程中阶梯轴锥角先与模具圆角 部分接触产生挤压,随着变形的加剧挤压力逐渐增大, 当挤压力足够承担锻造齿轮的锻压力时开始成型齿 轮. 齿轮填充完毕后,上冲继续下行,由于末端没有模 具阻碍,所以不会形成折叠现象,直至轴部填充饱满. 通过对坯料形状、尺寸和体积、锻造力等进行调整都无 法解决锻造方案折叠问题,所以输入轴锻造选取挤压 方案.
ABSTRACT The input shaft is an important part in a vehicle gearbox. A novel compound forming technique was designed due to the special structure of an input shaft. This forming technique is named once heating and combining rolling with forging, meaning that the cylindrical billet is first heated, rolled by cross wedge rolling and forged sequentially. The input shaft was deformed by the novel technique combining cross wedge rolling with die forging. The dies of cross wedge rolling and forging were designed in this paper, and the accuracy of finite element simulation was determined compared to experimental data. A great agreement between simulated and experimental results validates the predictability of finite element simulation. Extrusion was used to form the axis fillet in the forging process to avoid folding defects. The multidiameter semi-manufacture is both the product of cross wedge rolling and the billet of die forging, so it plays an important role in the whole process. The effect of cone angle and diameter was researched by experiments to determine the optimum values of parameters. Finally, the input shaft with full teeth and no defect was formed by the novel forming technique. KEY WORDS vehicles; gearboxes; shafts; forming; cross wedge rolling; forging
汽车变速器输入轴塑性成形工艺
李 智, 王宝雨苣, 左 斌, 郑明男
北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 苣 通信作者, E-mail: bywang@ ustb. edu. cn
摘 要 输入轴是汽车变速器中重要零件,针对其特殊结构提出一火加热和轧锻结合的塑性复合加工工艺,即采用圆柱坯料 只进行一次加热,依次采用楔横轧和锻造工艺加工塑性成形输入轴. 本文分别设计楔横轧和锻造模具,并进行相关实验. 在 锻造工艺中轴部圆角采用挤压方案成形,避免其出现折叠缺陷. 阶梯轴作为两步工艺的中间产品,其在复合工艺过程中起到 承上启下的作用,分别对阶梯轴锥角和轴长进行实验与分析,确定参数的最佳选取范围,并最终通过复合工艺加工成形输入 轴. 输入轴齿形填充饱满,各部分无缺陷. 关键词 汽车; 变速器; 轴; 成形; 楔横轧; 锻造 分类号 TG306
