轎車變速器倒擋齒輪的冷精密成形

隨著工業(yè)的發(fā)展，人們對齒輪齒形的精密成形的關注與期待越來越高，尤其是在世界制造業(yè)戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變期間，人們認識到只有精密成形齒輪才能更好滿足傳動系統(tǒng)重量輕、強度高、低成本制造的要求，勢將逐步取代切削齒輪，這是完全符合環(huán)保要求的“綠色”制造。當前迫于原材料價格上漲和產(chǎn)品不斷降價的雙重壓力，零部件加工企業(yè)必須進一步控制成本，提高材料利用率，不斷開發(fā)新的產(chǎn)品和采用新的生產(chǎn)技術。

結(jié)合多年來利用冷溫熱精密成形工藝開發(fā)各種精密成形件（即精鍛件）的經(jīng)驗，我公司成功實現(xiàn)了汽車變速器倒擋齒輪的“綠色”鍛造，采用溫鍛預制坯冷精密成形工藝成功生產(chǎn)變速器倒擋齒輪，輪齒精度達到了GB/T 10095.1-2008 7級精度。

倒擋齒輪是汽車后退嚙合傳動的關鍵零件

汽車變速器倒擋齒輪是汽車后退時嚙合傳動的關鍵零件，在齒輪的每一個輪齒上設有倒棱，即在輪齒表面帶有30｀左右的倒錐。倒錐雖小，其作用非常重要，一方面確保汽車行駛穩(wěn)定，防止變速器中齒輪滑擋，同時保證在倒擋時能夠順暢的掛入擋位。一般來說，轎車變速器上最為薄弱的零件也是倒擋齒輪。為了提高倒擋齒輪強度而隨意改變模數(shù)是不可能的，這是因為轎車的外形尺寸固定，某一組嚙合齒輪的中心距也應該是固定的，不能隨意變動。如果要保證中心距不發(fā)生變化，又會影響到齒輪傳動比。而通過采用精密成形倒擋齒輪，提高了齒輪的傳動精度，保證了整車的質(zhì)量，就能使該問題很容易得到解決。

與切削齒輪的輪齒相比，精密成形倒擋齒輪的輪齒金屬纖維流線連續(xù)，彎曲疲勞強度提高20%～30%，壽命大大提高。轎車行駛時，在齒輪嚙合傳動過程中，它不僅避免了切削齒輪輪齒齒根容易斷裂造成的事故和所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失，也為主機生產(chǎn)廠大大節(jié)約了生產(chǎn)成本和市場成本。

國內(nèi)轎車行業(yè)只有少數(shù)企業(yè)生產(chǎn)的變速箱中采用精密成形倒擋齒輪，然而，由于其生產(chǎn)工藝復雜，產(chǎn)品質(zhì)量不能得到保證，因而絕大部分進口或由外資企業(yè)生產(chǎn)，國內(nèi)真正實現(xiàn)其批量生產(chǎn)的企業(yè)極少，因此倒擋齒輪的市場前景非常好。

倒擋齒輪結(jié)構(gòu)特征及其生產(chǎn)過程設計

倒擋齒輪是一種帶轂直齒輪。某轎車變速器用倒擋齒輪零件實物照片如圖1所示，該零件套裝在傳動軸上，中空。小端為短軸，大端為齒輪，齒輪端面有20個齒，其零件圖如圖2所示。



圖1 某轎車變速器用倒擋齒輪



圖2 某轎車變速器倒擋齒輪零件圖

根據(jù)壓力加工原理和我們的實際經(jīng)驗，該零件采用壓力加工成形是沒有問題的。在倒擋齒輪被汽車設計者設計出來以后，一般企業(yè)的生產(chǎn)工藝就是先生產(chǎn)不將齒輪齒形加工出來的鍛坯，然后進行機械加工外形尺寸和熱處理。后來才發(fā)展成將齒輪齒形模鍛成形出來。然而，普通熱模鍛件的齒形精度往往達不到使用要求或者質(zhì)量不穩(wěn)定。即使生產(chǎn)出來勉強裝配到汽車上也不能滿足使用要求，在汽車行駛過程中噪聲很大，轉(zhuǎn)向費力，不靈活。

后來人們采用冷鍛成形，由于冷鍛力太大、對設備的噸位要求太大且模具壽命低，以及預制坯工藝過程復雜等一系列原因在企業(yè)生產(chǎn)中很少使用。因此人們在熱鍛過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗，對坯料的加熱溫度、模鍛溫度及模鍛后的冷卻過程提出嚴格要求，在一定溫度范圍內(nèi)將該產(chǎn)品的齒形鍛出，這就是所謂的溫鍛。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對溫鍛件齒形的精度提出更高的要求。我公司就是在溫鍛件的基礎上再增加一道后續(xù)冷成形工藝，即采用溫鍛高精度制坯，然后進行冷成形。通過溫鍛實現(xiàn)較高的塑性變形將齒形鍛出，通過微量變形的冷成形提高溫鍛齒形精度和表面質(zhì)量。使倒擋齒輪溫鍛件（預成形件）產(chǎn)品的齒形精度滿足技術要求。

其工藝路線大致為：下料→制坯→溫鍛預成形→退火→拋砂→潤滑處理→冷精密成形→車端面、去毛刺→倒錐擠壓成形→機加工→滲碳淬火。
倒擋齒輪輪齒的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式是先使用滾齒或插齒工藝粗加工齒形，再用剃齒工藝精加工齒形提高輪齒齒形精度；對于精度要求高的輪齒，熱處理滲碳后還需作磨齒、珩齒，這些加工需要昂貴的專業(yè)設備，生產(chǎn)效率低，很難滿足市場需要。

采用精密成形工藝生產(chǎn)倒擋齒輪，不需要增加投資，不需要采用切齒、倒棱加工設備，將機械加工難以實現(xiàn)的需要倒棱的輪齒成形，而且齒部也滿足精度要求，質(zhì)量穩(wěn)定，不但滿足人們輕松駕駛，行駛中噪聲低、容易換擋的要求，而且能大幅度降低生產(chǎn)成本。
倒擋齒輪的數(shù)值模擬分析

溫鍛預成形數(shù)值模擬

為給后續(xù)冷精密成形工藝制造高精度預制坯，設計溫鍛預成形件圖。溫鍛預成形件圖的設計也是保證倒擋齒輪冷精密成形開發(fā)成功的關鍵。在設計溫鍛預成形件圖時，要根據(jù)倒擋齒輪的結(jié)構(gòu)特征判斷坯料在溫鍛預成形時的金屬流動特征和溫鍛預成形后溫鍛預成形件冷卻時的收縮量和彈性變形量，合理給出后續(xù)冷精密成形時的余量，特別是倒錐工序余量及其分布。
利用UG建立該模型如圖3所示。由UG分析功能計算出該模擬溫鍛預成形件體積，按體積不變原則，確定毛坯尺寸。在生產(chǎn)實踐中確定坯料尺寸的過程也是一個很重要的環(huán)節(jié)。溫鍛模具模型也是采用UG軟件建立的。利用DEFORM-3D軟件進行數(shù)值模擬分析，設置參數(shù)如下：材料：AISI-5120（鍛件材質(zhì)為20CrMnTiH）；坯料溫度：(1150±15)℃；模具預熱溫度：200℃左右；摩擦因數(shù)：0.3；數(shù)值模擬得到的變形過程如圖4所示。



圖3 倒擋齒輪預鍛溫鍛件模型



圖4 預鍛溫鍛數(shù)值模擬的塑性變形過程

結(jié)合我廠的實際情況，為利于齒部充填飽滿，我們在溫鍛預成形件時，采用兩個主要工步成形，即第一步鐓粗成形和第二步鐓擠齒形。鐓粗成形的目的為合理分配毛坯體積，便于第二步鐓擠齒形時的定位及齒部充填。

將加熱到(1150±5)℃的毛坯鐓粗后，放入帶齒模芯的模膛之中；毛坯繼續(xù)鐓擠，此時毛坯的溫度大約為1100℃左右。金屬在模膛內(nèi)產(chǎn)生軸向、徑向流動，逐步充填輪轂和齒部型腔，最終充填輪齒齒部、棱部，完成溫鍛預成形件的成形。

圖5所示為溫鍛預成形過程的流動矢量圖，其運動矢量分布均勻、合理。圖6所示為數(shù)值模擬的溫鍛預成形過程壓力—時間曲線，成形載荷約3600kN。



圖5 溫鍛預成形件材料成形過程流動矢量圖

冷精密成形數(shù)值模擬

溫鍛預成形件設計的合理與否，和后續(xù)冷精密成形能否獲得合格產(chǎn)品的關系極大。溫鍛預成形件設計不合理得到的溫鍛預成形件的質(zhì)量太低，就可能收不到理想的冷精密成形效果。其關鍵是要保證在冷精密成形過程中的受力和金屬流動盡量均勻，要保證能提高輪齒的齒形精度。

將溫鍛預成形件模型重新劃分網(wǎng)格，設置冷精密成形模擬所需參數(shù)，數(shù)值模擬分析室溫下輪齒的金屬流動，得到圖7所示的冷精密成形件。在冷精密成形過程中，上沖頭下壓，齒部材料被鐓擠完全充滿輪齒型腔，滿足高精度齒形成形。圖8所示為冷精密成形結(jié)束時成形件的等效應變圖。



圖6 模擬溫鍛預成形終了時的壓力—時間曲線

倒擋齒輪的開發(fā)試制

下料、制坯

為保證毛坯內(nèi)部組織性能均勻和消除熱軋棒材表面缺陷，對棒材表面車削剝皮。精密鍛造對坯料的尺寸要求高，重量公差在±3g。對坯料尺寸的高精度要求是保證精密鍛造過程工藝正常和精鍛后的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的重要條件。

下料采用全自動帶鋸床，帶鋸床優(yōu)點有：機床上鋸帶的速度可以無限制調(diào)整，利用鍍硬鉻圓柱來調(diào)整帶鋸床鋸架的上升與下降，鋸切參數(shù)數(shù)字通過可編程控制器（PLC）方便快捷設定，靈活設定、轉(zhuǎn)變鋸切模式，非常靈活的人機界面，在指定范圍內(nèi)，鋸床的進給可以進行調(diào)速，機床設置參數(shù)完成后，通過機械、電氣、液壓，具有自動夾緊、自動進刀、切割完畢自動快速上升（即退刀）、自動送料的功能，無需人工操作，送料定位誤差小于0.02mm，定位非常精確，可以滿足毛坯尺寸精度要求，一致性較好，同時加工效率較高，綜合成本較低。



圖7 冷精密成形數(shù)值模擬件



圖8 冷精密成形數(shù)值模擬件的等效應變

制坯工藝方法有：車床單件加工和全自動剝皮、磨外圓生產(chǎn)線，全自動剝皮、磨外圓生產(chǎn)線加工質(zhì)量和效率都比車床單件加工高，且剝皮前有校直工序，所以加工量可以減小，減少材料浪費，是精密鍛造未來應用方向，后續(xù)倒角采用車床和全自動倒角機。
溫鍛預成形

根據(jù)數(shù)值模擬分析得到的負載，選取我公司FP-600型熱模鍛機械壓力機如圖9所示。熱模鍛機械壓力機精度高，剛性足，所生產(chǎn)的溫鍛預成形件可以滿足后續(xù)倒擋齒輪冷精密成形要求。圖10反映了溫鍛預成形變形過程，產(chǎn)品無折疊、裂紋缺陷。設備儀器表盤噸位顯示值范圍在3300～3600kN，與數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)接近。
在實際鍛造過程中，溫鍛預成形分兩步完成。必須控制溫鍛預成形需要的第一步預制件的形狀。倘若溫鍛預成形需要的第一步預制件的形狀不穩(wěn)定，例如材料過早流動產(chǎn)生飛邊，將會影響第二步溫鍛預成形件齒部充填不能滿足后續(xù)冷精密成形的要求，也導致第二步溫鍛預成形時負載急劇上升，影響模具壽命和設備維修周期。第二步溫鍛預成形件一定要滿足后續(xù)冷精密成形對坯料的要求。



圖9 FP-600型熱模鍛機械壓力機



圖10 倒擋齒輪溫鍛預成形變形過程

生產(chǎn)時，將沾附有石墨的坯料在中頻感應加熱裝置（KGPS03-250/2.5）中加熱至750～800℃，這時產(chǎn)生的氧化較少，幾乎無氧化現(xiàn)象發(fā)生。溫鍛預成形模具在加工制造時，模具模膛表面粗糙度要好。防止溫鍛預成形時變形力增加，溫鍛預成形后脫模困難，齒面劃傷。
將溫鍛預成形件做流線分析，可以看出整個金屬流線順暢、對稱，沒有流線間的折疊，如圖11所示，說明了倒擋齒輪溫鍛預鍛過程材料流動合理。

冷精密成形

將溫鍛預鍛件退火處理后，清理表面、進行潤滑處理，然后放入冷精密成形模具內(nèi)，通過鐓擠成形使齒部充填飽滿，提高齒部精度，獲得較好的齒面粗糙度。



圖11 溫鍛預鍛件金屬流線



圖12 精密成形件齒形精密測量結(jié)果

冷精密成形過程，對模具的制作精度要求高，對模膛精度要求更高，例如齒輪輪齒的制造精度要達到5～6級，型腔拋光處理。

倒錐成形

將冷精密成形后的鍛件車端面去毛刺，進行表面潤滑處理，然后放入模具模膛擠壓成形30｀的倒錐。由于該錐度為30｀，精度要求高。外國人曾對我國長時間保守秘密。我國汽車的倒擋齒輪在相當長的一個歷史時期是沒有倒錐的，即倒錐為零，致使我國汽車駕駛性能的一項重要指標長時間處于落后。

因為這個數(shù)據(jù)30｀很小，人們一開始用手感不容易發(fā)現(xiàn)，后來發(fā)現(xiàn)了覺得不好用機械加工，而且30｀的量值很小，也沒法測量。而倒錐的作用非常重要，它對汽車的行駛性能和安全性影響很大。因為沒有倒錐，造成駕駛過程中換擋不靈活，不能順暢掛入擋位；而在行駛的過程中，變速器中齒輪容易滑擋，又影響行駛過程穩(wěn)定。
該倒錐成形同樣要求模具的輪齒模膛加工精度高，一般輪齒精度要求達到4級以上，因為它直接決定了鍛件的齒形、齒向、齒距誤差。這樣，它就要求有高精度的加工模具設備和量具，還要有高精度高剛度的鍛壓設備，這樣才能有效地保證產(chǎn)品精度和生產(chǎn)過程穩(wěn)定。

先對鍛件冷精密成形過程數(shù)值模擬，確認成形方案可行后，進行初次開模；再根據(jù)冷精密成形件的輪齒尺寸、倒錐后鍛件輪齒尺寸及齒形、齒向、齒距誤差，對溫鍛預成形模、冷精密成形模、倒錐擠壓模模膛的輪齒尺寸做適當?shù)墓に囌{(diào)整。

計算機模擬無疑是一個很重要的工具，在開發(fā)產(chǎn)品時其作用不可低估。然而，有關現(xiàn)場經(jīng)驗非常重要。冷精密成形模和倒錐擠壓成形模開模往往需要2～3次的工藝調(diào)整才能最終滿足產(chǎn)品要求。

圖12為倒錐后倒擋齒輪齒部的精密測量結(jié)果，a是齒形誤差的檢查結(jié)果，左右齒面最大偏差為0.009 μm，b是齒向誤差的檢測結(jié)果，左右齒面最大偏差為0.0065μm，c是累積偏差和單一偏差的檢測結(jié)果，累積偏差和單一偏差分別為0.014μm和0.006μm，該齒形檢測報告結(jié)果顯示，我公司開發(fā)生產(chǎn)的倒擋齒輪的齒形精度完全符合圖紙要求。表1是倒擋齒輪齒形檢查結(jié)果匯總。

表1 倒擋齒輪精密成形件齒形檢查結(jié)果



結(jié)束語

我公司生產(chǎn)的汽車變速器倒擋齒輪現(xiàn)已通過了臺架試驗、破壞性試驗和路試等，有關試驗數(shù)據(jù)和實際使用效果遠好于切削加工倒擋齒輪，得到客戶認可。

作者簡介 趙軍華，模具車間主任，工程師，主要從事模具技術開發(fā)及生產(chǎn)管理，參與完成的“雙離合器變速器齒輪冷溫精密近凈成形制造技術開發(fā)與應用”項目獲得江蘇省科學技術獎二等獎，參與國家重大專項和省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金項目各1項，擁有3項專利。