汽車結(jié)合齒的溫?cái)D壓工藝及優(yōu)化研究*

楊晶，王媛

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程學(xué)院，安徽 六安 237158)

結(jié)合齒輪是汽車變速箱中的重要部件，又稱為帶離合器齒圈的傳動(dòng)齒輪[1].如圖1所示，結(jié)合齒輪是由帶有倒錐的小齒圈和帶有斜齒的傳動(dòng)齒輪兩部分組成，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不便于機(jī)械加工.

圖1 結(jié)合齒輪

齒輪采用傳統(tǒng)的機(jī)加工方法比較多[2]，有銑齒、滾齒、插齒、剃齒，還有一些采用磨齒的精加工方法，這些機(jī)加工方法往往都會(huì)切除大量鐵屑，破壞了金屬的線形組織，導(dǎo)致材料利用率低，強(qiáng)度低等.而采用塑性成形加工方法加工的齒輪則可以克服以上缺點(diǎn)，不僅可以縮短工序、減少耗材、提高效率，還可以提高齒輪某些部位的外觀質(zhì)量，齒面粗糙度也能小于Ra1.6，因此，本文主要研究汽車結(jié)合齒的溫?cái)D壓工藝成形方案，對(duì)成形過程進(jìn)行了模擬和分析，得到了較優(yōu)的成形方案.

1 結(jié)合齒輪結(jié)構(gòu)分析

圖2所示為結(jié)合齒輪零件的二維圖，通孔直徑為40.7 mm，最大輪廓直徑為115 mm，關(guān)鍵參數(shù)齒輪的大圓直徑為87 mm，小圓直徑為79 mm，齒高為4 mm.分析可知，齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)鍵成形部位為齒輪部分.齒輪的成形關(guān)鍵是金屬能夠完全填充齒輪型腔，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)金屬的折疊和裂紋及微裂紋等缺陷[3-4].相較于齒輪結(jié)構(gòu)，其他部位的成形相對(duì)容易，只要不出現(xiàn)折疊、粘皮、裂紋等缺陷即可.齒輪的上半部分有一定的錐度，角度為3°，該部分也可以通過擠壓成形得到，不過也要根據(jù)成形效果，考慮是否通過后續(xù)機(jī)加工成形.表1所示為該結(jié)合齒輪的主要參數(shù).

圖2 結(jié)合齒輪二維零件圖(單位：mm)

表1 結(jié)合齒輪漸開線齒形參數(shù)

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)出的總體研究方案為：(1)構(gòu)建特定汽車結(jié)合齒輪的結(jié)構(gòu)，利用正逆向軟件快速形成三維模型數(shù)據(jù)，再利用有限元軟件構(gòu)建分模面，獲得相應(yīng)的模具有限元模型，優(yōu)化局部齒形結(jié)構(gòu)；(2)利用溫?cái)D壓成型工藝，多工步模擬20鉻材料的結(jié)合齒輪有限元模型的成型過程，選擇不同的成型溫度、擠壓速度、成型載荷、摩擦因子等參數(shù)對(duì)比模擬，獲得多工步成型的方案，初步設(shè)計(jì)出預(yù)擠壓件結(jié)構(gòu)；(3)對(duì)成型后的結(jié)合齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行場(chǎng)量分布觀測(cè)，尋找各參數(shù)間的影響規(guī)律，調(diào)整預(yù)擠壓件的圓角、外形和連皮等結(jié)構(gòu)[5-6]，最終得到較好的終擠壓零件結(jié)構(gòu)；(4)利用擠壓設(shè)備，采用模擬的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試制，分析擠壓件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，得到完善的結(jié)合齒輪結(jié)構(gòu).

2 汽車結(jié)合齒單工步成形過程分析

根據(jù)圖2二維圖形的分析，利用UG12.0對(duì)零件圖進(jìn)行三維建模，如圖3所示.擠壓件圖的三維圖是利用UG的GC工具箱模塊，并根據(jù)齒輪參數(shù)構(gòu)建模型.

圖3 擠壓件三維圖形

按照溫度分類，擠壓成形一般分為：熱擠壓、溫?cái)D壓、冷擠壓[7].熱擠壓是指高于金屬的再結(jié)晶溫度進(jìn)行的擠壓造工藝，由于要求模具材料具有較好的高溫強(qiáng)度，這就會(huì)造成材料表面金屬的氧化，因此會(huì)降低擠壓件的成形精度；冷擠壓是指在金屬不經(jīng)加熱就進(jìn)行的擠壓工藝，一般是用于變形抗力小的金屬，可以保證零件的成形質(zhì)量和強(qiáng)度、以及成形精度；溫?cái)D壓是指在溫度介于室溫與再結(jié)晶溫度之間進(jìn)行的擠壓工藝，其兼顧了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，在降低成形載荷的同時(shí)提高了擠壓件的成形質(zhì)量及成形精度，因此具有較廣的應(yīng)用.

2.1 有限元模型構(gòu)建

利用UG12.0三維造型軟件對(duì)結(jié)合齒成形有限元模型所需的各模具單元進(jìn)行建模，為了減少模擬的工作量，將模具簡(jiǎn)單化設(shè)置，并生成STL格式，將其導(dǎo)入到Deform-3D軟件的前處理模塊中，建立結(jié)合齒輪成形工藝的有限元模型.圖4所示為單工序下擠壓件的有限元模型，有限元模型包括：上模、下模及坯料.其中上模和下模設(shè)定為剛性體，結(jié)合齒輪的坯料材料為20鉻，坯料形狀為圓柱體，總體積為77 443.95 mm3.根據(jù)體積不變?cè)?，同時(shí)考慮到坯料損耗及產(chǎn)生的飛邊，將變形過程中的損耗設(shè)為5%，因此坯料的尺寸為φ60 mm×26.5 mm.本零件由于涉及到復(fù)雜的成形過程，在變形過程中要求網(wǎng)格自適應(yīng)變化的能力較好，因此選擇四面體網(wǎng)格對(duì)坯料進(jìn)行劃分，網(wǎng)格單元數(shù)為50 000個(gè).

將模具與坯料之間的摩擦采用庫(kù)倫剪切模型，摩擦因子統(tǒng)一設(shè)定為0.25.坯料與模具之間的傳熱系數(shù)設(shè)置為2 W/(m2·K).上模設(shè)為主動(dòng)模，行程設(shè)為26.5 mm，運(yùn)動(dòng)速率為勻速，大小設(shè)為1 mm/s.為保證變形過程中坯料的溫度，變形時(shí)對(duì)模具和坯料進(jìn)行預(yù)熱，溫度設(shè)為200 ℃，坯料溫度設(shè)為900 ℃.

圖4 有限元模型圖

2.2 成形效果及分析

圖5所示為擠壓件的成形效果圖.可以看出擠壓件均能基本成形，但有部分缺陷產(chǎn)生.圖中A區(qū)域的齒輪未完全成形，同時(shí)在非主要成形區(qū)域的大直徑輪廓處存在未完全成形的缺陷，如B區(qū)域所示.說明在該種情況下，單工步成形不利于擠壓件的主要成形區(qū)域的成形，受坯料形狀的限制，在變形過程中金屬的流動(dòng)可能會(huì)存在不合理的流動(dòng)行為，導(dǎo)致在變形結(jié)束時(shí)部分成形部位不能有效充填，致使產(chǎn)生充不滿的缺陷，因此需對(duì)變形過程中金屬的流動(dòng)進(jìn)行分析，以對(duì)坯料的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)提供參考.

圖5 擠壓件的成形效果

對(duì)900 ℃下擠壓件的速度場(chǎng)進(jìn)行分析.圖6所示為擠壓件在不同變形階段金屬的速度場(chǎng)變化情況.

圖6 不同變形階段金屬的流向示意圖

開始的變形階段金屬在上模的作用下主要發(fā)生鐓粗變形，坯料最先變形的部位是與模具接觸的部分.金屬向模具型腔逐漸流動(dòng)，可以看到金屬流動(dòng)方向是一致的，坯料中心部位的金屬速率最大并向邊緣流動(dòng)，如圖6中A區(qū)域所示；金屬不斷流動(dòng)填充的是易成形的型腔部位，擠壓件的輪廓逐步展現(xiàn)出來，金屬流動(dòng)速率較大的區(qū)域?yàn)榕c上模接觸的部分及擠壓件線段的部位，如圖6中A′及C區(qū)域所示，而主要的齒輪成形部位的金屬流動(dòng)速率較小，如圖6中B區(qū)域所示，這表明在變形過程中流向主要變形部位的金屬會(huì)不足，這就造成齒形部位未能完全填充；在變形的最后階段，即整形階段，坯料變形基本結(jié)束，擠壓件也基本成形，擠壓件下端金屬的流動(dòng)速率基本一致，如圖6中A″及C′區(qū)域所示，但主要成形區(qū)域B′的金屬流動(dòng)速率較小，至此擠壓件成形過程結(jié)束.通過以上擠壓件的成形效果，結(jié)合金屬的流動(dòng)速率可知，結(jié)合齒輪的主要成形部位的金屬流動(dòng)速率偏低，在一定的變形時(shí)間內(nèi)流向該部位的金屬較少，將會(huì)造成該區(qū)域不能完全充滿，進(jìn)而形成缺陷.

結(jié)合以上分析及結(jié)合齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可知單工步條件下成形有填充不滿的缺陷，需要通過多工序成形，設(shè)置預(yù)擠壓件，以得到較好的成形方案.

3 多工步成形工藝

多工步成形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是精確設(shè)計(jì)預(yù)制坯的結(jié)構(gòu)，即對(duì)預(yù)成形工序作出合理的制定.一般預(yù)擠壓坯是根據(jù)擠壓件的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，先將非主要部分形成一個(gè)擠壓件雛形的預(yù)擠壓坯，而后換另一套模具，再次擠壓成形得到最終的擠壓件.

3.1 預(yù)制坯成形工藝

基于以上分析，增加該擠壓件的成形工序，即預(yù)成形[8-9]，該工藝的流程圖如圖7所示.預(yù)成形擠壓件的基本結(jié)構(gòu)與對(duì)擠壓件相似，該預(yù)成形件的結(jié)構(gòu)形狀可根據(jù)后續(xù)的模擬分析進(jìn)行修改，以得到有利于擠壓件成形的預(yù)擠壓件.而對(duì)預(yù)擠壓件合理的判斷主要依據(jù)是通過模擬分析后處理的相關(guān)場(chǎng)量來進(jìn)行的.

(a)坯料 (b)預(yù)擠壓件 (c)終擠壓件

3.2 預(yù)擠壓件成形效果分析

圖8所示為預(yù)擠壓件的成形效果圖，可知預(yù)擠壓坯的基本輪廓均已完全成形，在與上下模接觸的區(qū)域有金屬的折疊區(qū)產(chǎn)生(區(qū)域A所示)，僅在擠壓件的大徑輪廓處有少許飛邊產(chǎn)生(區(qū)域B所示).在進(jìn)行第二道工序時(shí)，將預(yù)擠壓件放置在終擠壓模具的中間，同時(shí)設(shè)置接觸關(guān)系，即可進(jìn)行后續(xù)的終擠壓成形模擬仿真過程.圖8(b)為變形后預(yù)成形件整體的溫度分布情況，可知預(yù)擠壓件的溫度介于380～470 ℃，中間部位的溫度最高，大徑輪廓處的溫度由里向外呈階梯式下降分布.

(a)擠壓件輪廓 (b)溫度分布

3.3 終擠壓成形效果分析

在前處理中預(yù)成形過程的最后一步將預(yù)成形模具刪除，而后導(dǎo)入終擠壓模具，設(shè)置預(yù)擠壓件與模具的接觸關(guān)系，測(cè)量上下模的開口高度，即為上模的運(yùn)動(dòng)行程，經(jīng)測(cè)量行程大小為15.5 mm.同時(shí)運(yùn)動(dòng)速率設(shè)為勻速，大小為1 mm/s，為保證變形過程中坯料的溫度，變形時(shí)對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，溫度設(shè)為200 ℃，坯料溫度設(shè)為700 ℃.摩擦因子統(tǒng)一設(shè)定為0.25.坯料與模具之間的傳熱系數(shù)設(shè)置為2 W/(m2·K).

變形結(jié)束后，分析該條件下擠壓件的最終成形效果，如圖9所示，擠壓件整體成形效果良好，網(wǎng)格分布也很合理，在大徑輪廓處有少許的飛邊產(chǎn)生，這是半封閉式擠壓工藝不可避免的，在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過后續(xù)進(jìn)行修整.同時(shí)齒形成形也較完整，對(duì)比單工序下齒輪的成形質(zhì)量有較大提高，齒輪充不滿現(xiàn)象基本消失，齒根無折迭或充不滿的現(xiàn)象，這說明在終擠壓階段金屬的流動(dòng)更加合理，預(yù)成形階段齒輪的非主要成形部分已基本成形.在終擠壓階段主要成形齒輪部分，同時(shí)對(duì)預(yù)擠壓件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.

圖9 成形效果圖

4 多工步成形優(yōu)化

通過調(diào)整齒形部分的擠壓件結(jié)構(gòu)，來改善金屬的流動(dòng)效果，使金屬能夠較容易地填充型腔，從而降低成形載荷，改善成形效果，以達(dá)到對(duì)預(yù)擠壓件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的目的.

4.1 擠壓件結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化

預(yù)擠壓件的結(jié)構(gòu)是根據(jù)擠壓件的形狀來確定的，結(jié)合預(yù)擠壓件的形狀及金屬流動(dòng)規(guī)律，對(duì)預(yù)擠壓件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如圖10所示，將A區(qū)域的93°輪廓改為圓弧過渡，如10(b)所示圓弧(R2)兩端以圓弧(R1)連接過渡，有利于金屬的填充.該圓弧半徑大小設(shè)置為20 mm、25 mm、30 mm，分別進(jìn)行模擬.最終得出30 mm的半徑條件下，預(yù)擠壓件的充型效果、成形載荷、金屬流動(dòng)情況和應(yīng)力應(yīng)變情況較優(yōu).

(a)初始預(yù)擠壓件結(jié)構(gòu) (b)擬優(yōu)化預(yù)擠壓件結(jié)構(gòu)

同時(shí)，對(duì)擠壓件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，由擠壓件的成形效果可知初始擠壓件存在圓角半徑過小導(dǎo)致在整形階段金屬很難填充，成形效果較差，同時(shí)沖孔連皮的厚度過厚也導(dǎo)致金屬不足.因此，從這兩個(gè)方面對(duì)擠壓件進(jìn)行優(yōu)化，將原來的圓角半徑增加，以降低金屬的流動(dòng)阻力，同時(shí)根據(jù)體積不變?cè)恚瑢_孔連皮的厚度由10 mm降低至6 mm，盡量填充難成形區(qū)域.并據(jù)此構(gòu)建擠壓件的三維模型，以此來獲得終擠壓的上下模具.

優(yōu)化擠壓件成形過程中的參數(shù)，將熱傳導(dǎo)率由原來的2降低為1.5，減低了熱傳遞，提高了金屬的流動(dòng)性，將上模的下壓速率提高至1.5 mm/s，具體參數(shù)如表2所示.在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過涂抹高溫潤(rùn)滑劑來降低摩擦、降低熱傳導(dǎo)速率，以提高擠壓速率降低傳熱時(shí)間保證金屬的溫度.

表2 擠壓件成形參數(shù)優(yōu)化

4.2 擠壓件的最終成形效果

通過以上對(duì)結(jié)合齒輪預(yù)擠壓和終擠壓成形過程的優(yōu)化和分析，在上述條件下對(duì)擠壓件的成形進(jìn)行仿真分析，得到圖11所示的成形效果，由圖可知擠壓件整體成形較好，對(duì)比擠壓件的三維模型，成形的擠壓件結(jié)構(gòu)輪廓也很清晰，主要成形部分與擠壓件吻合，在合模位置不可避免有少許飛邊產(chǎn)生.同時(shí)，對(duì)齒形進(jìn)行分析，如圖所示齒形成形較好，與基圓輪廓接觸部分成接近90°角，而且齒頂成形完好.與優(yōu)化前相比，成形效果有很大的改善.

圖11 擠壓件成形效果圖

如圖12所示為擠壓件優(yōu)化后的等效應(yīng)力的分布情況，其分布規(guī)律與等效應(yīng)變分布規(guī)律基本一致，擠壓件的最大等效應(yīng)力值為490 MPa，最大應(yīng)力值分布在合模位置，平均等效應(yīng)力為363 MPa.齒形部位以及擠壓件的上下端處的應(yīng)變值也較大，說明該部分為變形激烈的區(qū)域.從擠壓件的變形過程可解釋擠壓件的應(yīng)力分布情況，在預(yù)成形階段擠壓件的基本主體結(jié)構(gòu)均已成形，在終擠壓成形階段，齒形部分和擠壓件的周邊輪廓部分，金屬的流動(dòng)比較劇烈，填充效果好.

圖12 優(yōu)化后擠壓件的等效應(yīng)力分布情況

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

制備20鉻鋼材，坯料尺寸為φ60 mm×26.5 mm，采用帶鋸床進(jìn)行下料，配備1 000 t的液壓機(jī)，采用陶瓷保護(hù)電阻加熱圈對(duì)模具預(yù)熱.如圖13所示，成形擠壓件剖面處的金屬流動(dòng)曲線，與有限元模擬中金屬的流動(dòng)過程是一致的.從圖中可知金屬的流向完整，沒有中斷的現(xiàn)象，說明金屬變形過程十分規(guī)則，不存在雜質(zhì)聚集導(dǎo)致流向破壞的現(xiàn)象，這將增強(qiáng)組織的顯微硬度，提高擠壓件的整體強(qiáng)度.進(jìn)一步驗(yàn)證本方案和參數(shù)的可行性.

圖13 擠壓件金屬流動(dòng)曲線

6 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)工藝下生產(chǎn)結(jié)合齒輪的生產(chǎn)效率低、材料利用率低、零件性能較差，無法滿足市場(chǎng)的需求；采用有限元成形結(jié)合實(shí)驗(yàn)試制方法，研究出新的工藝方案，對(duì)成形過程做了詳細(xì)的模擬，分析多種變量對(duì)齒輪成形流線的影響，選擇較優(yōu)的成形方案，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證.得出可利用多工步成形，構(gòu)建預(yù)擠壓件的結(jié)構(gòu)形狀，同時(shí)對(duì)預(yù)擠壓件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，模擬分析得出半徑為30 mm的預(yù)擠壓件為當(dāng)前較優(yōu)的參數(shù)；同時(shí)減小沖孔連皮的厚度，降低熱導(dǎo)率，提高上模的下行速度，摩擦因數(shù)應(yīng)控制在0.1～0.15之間，擠壓件的成形效果較佳；對(duì)成形工藝優(yōu)化后試制的擠壓件剖面進(jìn)行觀察分析，得出其分布合理，呈流線分布，說明本工藝對(duì)結(jié)合齒輪的成形方案是可行的.