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 汽车变速器输入轴塑性成形工艺 李智，王宝雨四，左斌，郑明男 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:bywang(@ustb.cdu.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 Forming technique for the input shaft of a vehicle gearbox LI Zhi,WANG Bao-yu,ZUO Bin,ZHENG Ming-nan School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:bywang@ustb.edu.cn 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 tech- nique 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 experi- mental 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 输入轴是汽车变速器中重要零件，其上端斜齿轮 齿轮的使用寿命-习 与变速器中的中轴啮合，轴部花键通过离合器与发动 随着塑性加工技术的发展，楔横轧、冷挤 机相连，是汽车动力传输的关键.由于其特殊的结构， 压-可等制坯方法已相对成熟，并得到广泛应用.采用 一般采取传统的切削方法进行加工.但是，传统的切 楔横轧工艺可以高效加工阶梯轴坯料，但是上端待切 削加工方法材料利用率差，生产效率低，生产周期长， 削成齿形的部分为轧件直径最大的位置，楔横轧一般 使得产品成本较高，而且破坏了金属流线，从而影响齿 不对此位置进行加工，反而会因为加热过程恶化金属 轮的弯曲疲劳强度、齿面接触疲劳强度和耐磨性，减低 性能：而且采用传统楔横轧制坯的方法，需要用直径大 收稿日期：201501-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375042)
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 汽车变速器输入轴塑性成形工艺 李 智，王宝雨，左 斌，郑明男 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 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 Forming technique for the input shaft of a vehicle gearbox LI Zhi，WANG Bao-yu ，ZUO Bin，ZHENG Ming-nan School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: bywang@ ustb． edu． cn 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 收稿日期: 2015--01--15 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51375042) 输入轴是汽车变速器中重要零件，其上端斜齿轮 与变速器中的中轴啮合，轴部花键通过离合器与发动 机相连，是汽车动力传输的关键． 由于其特殊的结构， 一般采取传统的切削方法进行加工． 但是，传统的切 削加工方法材料利用率差，生产效率低，生产周期长， 使得产品成本较高，而且破坏了金属流线，从而影响齿 轮的弯曲疲劳强度、齿面接触疲劳强度和耐磨性，减低 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
李智等：汽车变速器输入轴塑性成形工艺 ·1365· 于齿顶圆直径的棒料进行轧制，造成断面收缩率非常 艺的要求，对最终锻件进行简化.本文所进行实验与 大，轧制较困难.采用冷挤压工艺加工的阶梯轴精度 分析的汽车变速器输入轴锻件模型与齿形部分基本参 高，但是其受到工艺和断面收缩率所限，需要采用多工 数分别如图1和表1所示. 步挤压，并且磷化皂化处理会对环境造成污染 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 品一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 1一火加热和轧锻结合复合工艺方法 图1汽车变速器输入轴实验模型 1.1复合工艺过程 Fig.I Experimental model for the input shaft of a vehicle gearbox 输入轴结构比较复杂，为了适应楔横轧和锻造工 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 法向模数/mm 齿数法向压力角/()螺旋角/() 齿顶圆直径/mm齿根圆直径/mm 径向变位量/mm齿宽/mm 2.25 > 20 31 61.2 48.42 0.3375 18 图2所示为一火加热和轧锻结合复合工艺过程 同时还可以一起成形楔横轧无法加工出来的顶端盲孔 将圆柱形坯料加热并保温，然后放置于楔横轧机中进 结构.针对此输入轴，复合工艺相对传统楔横轧制坯 行轧制，轧制成对称的两根阶梯轴，并将其中间轧断切 可以减少16%断面收缩率，节省39%优质钢材.此复 分，最后将阶梯轴转移至锻造压力机中锻造出顶端齿 合工艺方法只需一次加热，连续进行两步塑性加工，节 形和盲孔. 省能源保护环境 1.2楔横轧模具设计 阶梯轴顶端 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 阶梯轴锥角 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，需要二次起楔▣.楔横轧模具 阶梯轴末瑞 轴部圆角 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 锻造 段：②轧齐段；③精整段；④二次起楔段：⑤切分段.因 禊横轧 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280 圆柱形坏料 阶梯轴 锻件 1.3锻造模具设计 图2一火加热和轧锻结合复合工艺过程示意图 Fig.2 Schematic diagram of the compound forming technique combi- Cai和Dean☒提出浮动凹模结构，其不仅可以提 ning rolling with forging 前合模防止分模面产生飞边，而且可以使坯料与模具 之间的摩擦成为有利因素.由于输入轴的特殊结构， 此复合工艺中，楔横轧工艺只需要对直径小于齿 使用浮动凹模会出现失稳情况，所以将模具改进为浮 根圆直径的圆柱坯料进行轧制，断面收缩率较小，轧制 动上模结构，如图4所示.图中，1一上模外套，起到支 相对容易，模具使用寿命高.锻造出顶端齿形不仅节 撑与限位的作用：2一弹簧圈，用于固定弹簧：3一弹簧 省原材料而且拥有更好的力学性能，在成形齿形的 组，使组合凹模处于低位：4一上冲：5一组合凹模，即齿
李 智等: 汽车变速器输入轴塑性成形工艺 于齿顶圆直径的棒料进行轧制，造成断面收缩率非常 大，轧制较困难． 采用冷挤压工艺加工的阶梯轴精度 高，但是其受到工艺和断面收缩率所限，需要采用多工 步挤压，并且磷化皂化处理会对环境造成污染． 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． 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 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． 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 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 法向模数/mm 齿数 法向压力角/( °) 螺旋角/( °) 齿顶圆直径/mm 齿根圆直径/mm 径向变位量/mm 齿宽/mm 2. 25 21 20 31 61. 2 48. 42 0. 3375 18 图 2 所示为一火加热和轧锻结合复合工艺过程． 将圆柱形坯料加热并保温，然后放置于楔横轧机中进 行轧制，轧制成对称的两根阶梯轴，并将其中间轧断切 分，最后将阶梯轴转移至锻造压力机中锻造出顶端齿 形和盲孔． 图 2 一火加热和轧锻结合复合工艺过程示意图 Fig． 2 Schematic diagram of the compound forming technique combining rolling with forging 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 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 Cai 和 Dean ［12］提出浮动凹模结构，其不仅可以提 前合模防止分模面产生飞边，而且可以使坯料与模具 之间的摩擦成为有利因素． 由于输入轴的特殊结构， 使用浮动凹模会出现失稳情况，所以将模具改进为浮 动上模结构，如图 4 所示． 图中，1—上模外套，起到支 撑与限位的作用; 2—弹簧圈，用于固定弹簧; 3—弹簧 组，使组合凹模处于低位; 4—上冲; 5—组合凹模，即齿 ·1365·
·1366· 工程科学学报，第37卷，第10期 和闭式锻造，如图5所示.图中，1一挤压方案的下模， 阶梯轴末端小直径段不与模具接触：2一闭式锻造方案 的下模：3一锻造方案的下顶杆.2与3形成封闭型腔. 锻造结果如图6所示. 2 (a) (b) 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) ④ forging 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：6一下模，成形轴部：7一待 锻造 锻造的阶梯轴：8一底座，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 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， 图4锻造模具 Fig.4 Forged die 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 本文齿形与盲孔锻造实验在1000t摩擦压力机上 不与模具接触，锻造过程中阶梯轴锥角先与模具圆角 完成，实测锻压速度为180mm·s,采用水基石墨 部分接触产生挤压，随着变形的加剧挤压力逐渐增大， 润滑. 当挤压力足够承担锻造齿轮的锻压力时开始成型齿 2结果与分析 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 2.1锻造工艺轴部成形方法对比 通过对坯料形状、尺寸和体积、锻造力等进行调整都无 由于输入轴拥有长阶梯轴这一特殊结构，在成形 法解决锻造方案折叠问题，所以输入轴锻造选取挤压 齿形和顶部盲孔的同时，轴部有两种成形方法，即挤压方案
工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 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． 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 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 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． ·1366·
李智等：汽车变速器输入轴塑性成形工艺 ·1367· 2.2锻造成型过程及锻造力 2.5 为了了解锻造过程金属流动对成型的影响，使用 一一仿真结果 2.0 一实测结果 Pro/E以及Deform-3D建立模型并仿真，如图7所示. 由于输入轴具有轴对称性，所以对模型的17（三个 7.3 齿)进行仿真与分析.其中模具为刚体，坯料为刚塑性 1.0 ① 2 体，材料为ASI-4120四，坯料温度为1000℃，模具与 坯料之间的换热系数为5Ns·mm.℃：实测得摩 0.5 擦压力机的锻压速度为180mm·s,所以有限元仿真 上冲下压速度为l80mm·s1:坯料划分网格数为 03 0.4 0.6 0.81.0 时间/s 35771,齿形附近网格局部细化，细化比例为0.5.模拟 图9成形载荷 水基石墨润滑剂润滑条件下的热模锻，摩擦系数设为 Fig.9 Forming pressure 0.34- 载荷并没有因为齿形的填充而出现上扬，而是接近于 上冲 水平.通过分析，发现上冲的凸台成形盲孔，使得阶梯 轴顶端面向上流动，呈现反挤压状态.由于反向挤压 金属向上流动，出现轴向分流作用，使齿形所需的载荷 组合凹模 降低，出现载荷没有明显上升的现象， ③齿形填充阶段.经过反向挤压阶段，顶部盲孔 已经成形，上冲继续下压没有顶部轴向分流作用，所以 坯料 此阶段成形载荷急剧上升，直至齿形填充完毕.结果 显示，实测值为2.11×10N,仿真值为2.16×10°N. 下模 在锻造过程中，阶梯轴末端为自由端面，自由面会 在锻造齿形时降低锻造成形载荷切.圆柱形齿轮闭 式锻造的成形载荷公式为网 图7锻造仿真有限元模型 Fig.7 Finite element model of forging =co4-小 根据以上实验与仿真，输入轴锻造实验轴部采用 -+1.16 (1) 挤压方案，结果如图8和图9所示.从图中可以观察 式中，C,为锻件形状影响因子，σ，为变形条件下金属的 到成形过程分成明显的三个阶段：①镦粗阶段：②反挤 平均流动应力，d山，为齿轮齿根圆直径，H,为齿宽，d为上 压阶段：③齿形填充阶段 冲直径，m端面模数.计算得到圆柱形齿轮闭式锻造 成形载荷为3.40×10°N,与实际锻造力对比，末端自 由面分流使得锻造力减小了37.9%. 2.3阶梯轴尺寸结构对成形的影响 阶梯轴为楔横轧的成品也是锻造的坯料，是复合 工艺的过渡产品，是两步工艺要求的综合体现，在整个 图8锻造成形过程 工艺过程中起到非常重要的作用.阶梯轴的顶端在锻 Fig.8 Forging process 造过程中成形齿形，产生很大塑性变形，所以对其形状 尺寸要求不高，只要保证轧制的断面收缩率即可.阶 ①镦粗阶段.这一阶段轴部圆角首先开始成形， 梯轴的末端在楔横轧中成形，在锻造过程中并不与模 随着圆角变形的加剧，轴部整体开始镦粗，将坯料与模 具接触，不会产生塑性变形，所以其在复合工艺中的重 具间的间隙弥合.此阶段为轴部整体镦粗，所以成形 要性较低.对复合工艺产生影响的结构为阶梯轴中间 载荷与普通镦粗过程相同，呈现均匀上升. 部分，其中重要尺寸如图10所示. ②反向挤压阶段.这一阶段轴部圆角继续变形， (1)轴长H对锻造成形的影响.锻造的轴部挤压 可以承担更大的锻造力，同时坯料开始向模具齿形型 过程主要是由图10所示轴长为H位置的金属向末端 腔内流动，齿轮部分逐渐成形.从图9中可以看出② 流动完成的，然而此挤压过程与普通的轴类挤压存在 阶段的成形载荷与普通的齿轮锻造力曲线并不相同， 一定的差异.阶梯轴顶端的金属径向流动成形齿形
李 智等: 汽车变速器输入轴塑性成形工艺 2. 2 锻造成型过程及锻造力 为了了解锻造过程金属流动对成型的影响，使用 Pro /E 以及 Deform-3D 建立模型并仿真，如图 7 所示． 由于输入轴具有轴对称性，所以对模型的 1 /7 ( 三个 齿) 进行仿真与分析． 其中模具为刚体，坯料为刚塑性 体，材料为 AISI-4120 ［13］，坯料温度为 1000 ℃，模具与 坯料之间的换热系数为 5 N·s － 1 ·mm － 1 ·℃ － 1 ; 实测得摩 擦压力机的锻压速度为 180 mm·s － 1 ，所以有限元仿真 上冲下 压 速 度 为 180 mm·s － 1 ; 坯 料 划 分 网 格 数 为 35771，齿形附近网格局部细化，细化比例为 0. 5． 模拟 水基石墨润滑剂润滑条件下的热模锻，摩擦系数设为 0. 3 ［14--15］． 图 7 锻造仿真有限元模型 Fig． 7 Finite element model of forging 根据以上实验与仿真，输入轴锻造实验轴部采用 挤压方案，结果如图 8 和图 9 所示． 从图中可以观察 到成形过程分成明显的三个阶段: ①镦粗阶段; ②反挤 压阶段; ③齿形填充阶段． 图 8 锻造成形过程 Fig． 8 Forging process ①镦粗阶段． 这一阶段轴部圆角首先开始成形， 随着圆角变形的加剧，轴部整体开始镦粗，将坯料与模 具间的间隙弥合． 此阶段为轴部整体镦粗，所以成形 载荷与普通镦粗过程相同，呈现均匀上升． ②反向挤压阶段． 这一阶段轴部圆角继续变形， 可以承担更大的锻造力，同时坯料开始向模具齿形型 腔内流动，齿轮部分逐渐成形． 从图 9 中可以看出② 阶段的成形载荷与普通的齿轮锻造力曲线并不相同， 图 9 成形载荷 Fig． 9 Forming pressure 载荷并没有因为齿形的填充而出现上扬，而是接近于 水平． 通过分析，发现上冲的凸台成形盲孔，使得阶梯 轴顶端面向上流动，呈现反挤压状态． 由于反向挤压 金属向上流动，出现轴向分流作用，使齿形所需的载荷 降低，出现载荷没有明显上升的现象［13，16］． ③齿形填充阶段． 经过反向挤压阶段，顶部盲孔 已经成形，上冲继续下压没有顶部轴向分流作用，所以 此阶段成形载荷急剧上升，直至齿形填充完毕． 结果 显示，实测值为 2. 11 × 106 N，仿真值为 2. 16 × 106 N． 在锻造过程中，阶梯轴末端为自由端面，自由面会 在锻造齿形时降低锻造成形载荷［17］． 圆柱形齿轮闭 式锻造的成形载荷公式为［18］ F = Cpσs [ 1 + df － 2 30 + 0. 2 df ( Hl － 2 ] ) · π 4 d2 ·( 21. 09m df ) + 1. 16 ． ( 1) 式中，Cp为锻件形状影响因子，σs为变形条件下金属的 平均流动应力，df为齿轮齿根圆直径，Hl为齿宽，d 为上 冲直径，m 端面模数． 计算得到圆柱形齿轮闭式锻造 成形载荷为 3. 40 × 106 N，与实际锻造力对比，末端自 由面分流使得锻造力减小了 37. 9% ． 2. 3 阶梯轴尺寸结构对成形的影响 阶梯轴为楔横轧的成品也是锻造的坯料，是复合 工艺的过渡产品，是两步工艺要求的综合体现，在整个 工艺过程中起到非常重要的作用． 阶梯轴的顶端在锻 造过程中成形齿形，产生很大塑性变形，所以对其形状 尺寸要求不高，只要保证轧制的断面收缩率即可． 阶 梯轴的末端在楔横轧中成形，在锻造过程中并不与模 具接触，不会产生塑性变形，所以其在复合工艺中的重 要性较低． 对复合工艺产生影响的结构为阶梯轴中间 部分，其中重要尺寸如图 10 所示． ( 1) 轴长 H 对锻造成形的影响． 锻造的轴部挤压 过程主要是由图 10 所示轴长为 H 位置的金属向末端 流动完成的，然而此挤压过程与普通的轴类挤压存在 一定的差异． 阶梯轴顶端的金属径向流动成形齿形， ·1367·
·1368· 工程科学学报，第37卷，第10期 75 45 H 20° 图10阶梯轴 Fig.10 Stepped shaft 使得金属向下流动困难，所以轴长H的长度对最终锻 件的成形产生较大影响.图11和图12为不同H值对 成形结果的影响，其中H表示模具对应位置的孔深. 图13锥角α对填充程度的影响 Fig.13 Impact of cone angle a on filling a 2.4最终成形结果 通过对各参数的调整优化，经过一火加热和轧锻 结合复合成形工艺，得到最终锻件如图14所示.虽然 齿形尖角处仍有填充不满的情况，但其所缺少的部分 图11齿形下端面折叠现象.(a)H/H=1.11:(b)H/H=1.08 已经小于产品要求的齿顶尖角处的倒角要求，锻件成 Fig.11 Fold under teeth:(a)H/H=1.11:(b)H/H=1.08 形已经基本满足需求， 标准体积 1.013倍体积 图12轴部圆角填充不满(H/H=1.02) Fig.12 Defect of the shaft fillet 如图11(a)所示，在齿形下端面出现折叠.在图7 所示的第②阶段，轴部整体被镦粗后开始成形齿形，由 于轴长H较长，原阶梯轴的内角尚未进入下模就被镦 粗产生径向移动.在锻造完成后，原内角在齿形下端 图14输入轴锻件 面形成折叠缺陷.如图11(b)所示，减小轴长H,折角 Fig.14 Input shaft forging 即消失. 如图12所示，轴长H较小时，轴部圆角填充不满. 3结论 这是因为图9所示的第①阶段中，轴部圆角填充一部 分就足够支撑成形齿形的锻造力，齿形填充与轴部挤 (1)本文提出了一火加热和轧锻结合新工艺，并 压同时进行.由于轴长H较短，需要金属从阶梯轴顶 且对工艺进行实验，验证了工艺的可行性. 端向下流动帮助填充轴部圆角.齿形填充饱满后金属 (2)复合工艺中楔横轧轧制阶梯轴与传统楔横轧 向下流动困难，需要较大的锻造力(2.25×10°N),而 制坯相比断面收缩率小，成形容易，模具寿命高.锻造 大锻造力使得上冲产生更多的弹性变形，所以需要增 不仅可以成形齿形，而且可以一起成形顶端盲孔，并解 加阶梯轴体积. 决了传统楔横轧制坯工艺待切削齿形部分不进行塑性 通过实验与分析可知轴长H过大或过小都会造 加工的问题. 成成形缺陷，当1.0220°，并最终通过复合工艺加工成形输入轴，其齿形 所以阶梯轴锥角α>20°. 填充饱满，各部分无缺陷
工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 图 10 阶梯轴 Fig． 10 Stepped shaft 使得金属向下流动困难，所以轴长 H 的长度对最终锻 件的成形产生较大影响． 图 11 和图 12 为不同 H 值对 成形结果的影响，其中 H'表示模具对应位置的孔深． 图11 齿形下端面折叠现象． ( a) H/H' = 1. 11; ( b) H/H' = 1. 08 Fig． 11 Fold under teeth: ( a) H/H' = 1. 11; ( b) H/H' = 1. 08 图 12 轴部圆角填充不满( H/H' = 1. 02) Fig． 12 Defect of the shaft fillet 如图 11( a) 所示，在齿形下端面出现折叠． 在图 7 所示的第②阶段，轴部整体被镦粗后开始成形齿形，由 于轴长 H 较长，原阶梯轴的内角尚未进入下模就被镦 粗产生径向移动． 在锻造完成后，原内角在齿形下端 面形成折叠缺陷． 如图 11( b) 所示，减小轴长 H，折角 即消失． 如图 12 所示，轴长 H 较小时，轴部圆角填充不满． 这是因为图 9 所示的第①阶段中，轴部圆角填充一部 分就足够支撑成形齿形的锻造力，齿形填充与轴部挤 压同时进行． 由于轴长 H 较短，需要金属从阶梯轴顶 端向下流动帮助填充轴部圆角． 齿形填充饱满后金属 向下流动困难，需要较大的锻造力( 2. 25 × 106 N) ，而 大锻造力使得上冲产生更多的弹性变形，所以需要增 加阶梯轴体积． 通过实验与分析可知轴长 H 过大或过小都会造 成成形缺陷，当 1. 02 ＜ H/H'≤1. 08 时没有出现缺陷． 本文选取 1. 08． ( 2) 阶梯轴锥角 α 对锻造的影响． 本文对不同锥 角 α 进行了实验，实验结果如图 13 所示． 可以观察到 锥角 α 并不会对填充程度产生影响，只不过角度过小 会产生图 12 所产生的问题，原因与前面分析的类似， 所以阶梯轴锥角 α ＞ 20°． 图 13 锥角 α 对填充程度的影响 Fig． 13 Impact of cone angle α on filling 2. 4 最终成形结果 通过对各参数的调整优化，经过一火加热和轧锻 结合复合成形工艺，得到最终锻件如图 14 所示． 虽然 齿形尖角处仍有填充不满的情况，但其所缺少的部分 已经小于产品要求的齿顶尖角处的倒角要求，锻件成 形已经基本满足需求． 图 14 输入轴锻件 Fig． 14 Input shaft forging 3 结论 ( 1) 本文提出了一火加热和轧锻结合新工艺，并 且对工艺进行实验，验证了工艺的可行性． ( 2) 复合工艺中楔横轧轧制阶梯轴与传统楔横轧 制坯相比断面收缩率小，成形容易，模具寿命高． 锻造 不仅可以成形齿形，而且可以一起成形顶端盲孔，并解 决了传统楔横轧制坯工艺待切削齿形部分不进行塑性 加工的问题． ( 3) 由于采用闭式锻造方案会使轴部产生缺陷， 所以锻造工艺轴部成形采用挤压方案，并且末端自由 面分流使锻造力降低 37. 9% ． ( 4) 分别对阶梯轴锥角和直径进行实验与分析， 确定了最 佳 选 取 范 围 分 别 为 1. 02 ＜ H/H' ≤1. 08 和 α ＞ 20°，并最终通过复合工艺加工成形输入轴，其齿形 填充饱满，各部分无缺陷． ·1368·
李智等：汽车变速器输入轴塑性成形工艺 ·1369· 参考文献 432 Yu J.Research on Cold Precision Forming Process and Forming (娄依志，张康生，杨翠萍，等.工艺参数对楔横轧二次楔轧 Range of Spur Gear [Dissertation].Zhenghou:Henan University 制超大断面收缩率轴类件的影响.北京科技大学学报，2008， of Science and Technology,2012:32 30(4):432) (于静.直齿圆柱齿轮冷精锻成形工艺及成形范围的研究[学 [10]Wang M L.Force Parameters Research by Examination in Second 位论文].郑州：河南科技大学，2012：32) Wedge of Cross Wedge Rolling [Dissertation].Beijing:Universi- Cheng X W.Research on Key Technologies of Warm Forging for ty of Science and Technology Beijing,2007:15 Spur Gear [Dissertation].Taiyuan:Taiyuan University of Tech- (王明龙.楔横轧二次楔入轧制力能参数实验研究[学位论 nolo,2011:14 文].北京：北京科技大学，2007：15) (陈晓伟.圆柱直齿轮温精锻成形关键技术研究[学位论文] [11]Hu Z H,Zhang K S,Wang B Y,et al.The Forming Technology 太原：太原理工大学，2011：14) and Simulation of Parts with Cross Wedge Rolling.Beijing:Met- 3]Gong D M.Numerical Simulation Research on Cold Forging of allurgical Industry Press,2004:184 Spur Gear [Dissertation].Hefei:Hefei University of Technology, (胡正寰，张康生，王宝雨，等.楔横轧零件成形技术与模拟 2009:20 仿真.北京：治金工业出版社，2004：184) (龚冬梅.圆柱直齿轮冷锻数值模拟研究[学位论文].合肥： [12]Cai J,Dean TA.Alterative die designs in net-shape forging of 合肥工业大学，2009：20) gears.J Mater Process Technol,2004,150(1):48 [4]Wang B Y,Hu Z H.Contact surface of cross wedge rolling during [13]Xu F.Research on the Key Technology of Cold Forging Forming wedge.J Unin Sci Technol Beijing,1998,20 (2)170 for Spur Gear [Dissertation].Hefei:Hefei University of Science (王宝雨，胡正囊.楔横轧楔入轧制接触面几何形式.北京科 and Technology,2011:53 技大学学报，1998,20(2)：170) (许峰.圆柱直齿轮冷精锻关键技术研究[学位论文].合 5]Du H P,Zhang K S,Shi H L,et al.Geometrical analysis on right 肥：合肥工业大学，2011：53) -angle step forming process in cross wedge rolling.J Univ Sci [14]Sadeghi M H.Gear forging:mathematical modeling and experi- Technol Beijing,2004,26(6)658 mental validation.J Manuf Sci Eng,2003,125(4):753 (杜惠，张康生，石洪磊，等。楔横轧内直角台阶成形过程 [15]Ren J R,Zhang ZZ,Cui Y Z.Friction behaviors of the gear 几何形态分析.北京科技大学学报，2004,26(6)：658) forging materials under different lubrications.Lubr Eng,2011, [6]Li W F,Lii H Y,Gong T.Cold extrusion-upsetting technology 36(3):81 and design of the die for the multi-diameter shaft.Forg Stamping (任靖日，张周周，崔元植.在不同润滑油下齿轮锻造材料 Technol,2007,32(3):61 摩擦特性研究.润滑与密封，2011,36(3)：81) (黎文峰，吕汉迎，龚涛.阶梯轴冷挤徵成形工艺及模具设 16] Hu C L,Shi W B,Xu X L,et al.A novel cold precision forging 计.锻压技术，2007,32(3)：61) process of spur gear with boss and its numerical simulation.J Liu S F,Cai Y,Wu L.Study on simulation and experimental of Shanghai Jiaotong Univ,2009,43 (9):1994 gear shaft cold extrusion forming of automobile steering device.J (胡成亮，施卫兵，徐祥龙，等.带毂直齿轮冷精锻新工艺及 Mech Transm,2004,38(3):161 其数值模拟.上海交通大学学报，2009,43(9)：1994) (刘守法，蔡云，吴松林.汽车转向齿轮轴冷挤压成形仿真及 [17]Jin J S.Research on the Key Technology of Near-Net Shaped 实验研究.机械传动，2004,38(3)：161) Forming for Gears Used in Car [Dissertation].Wuhan:Hua- [8]Eyercioglu 0,Dean T A.Developments and Performance Analyses zhong University of Science and Technology,2009:91 of Precision Forged Spur Gear [Dissertation].Birmingham:Uni- (金俊松.轿车齿轮闭式冷精锻近/净成形关键技术研究[学 versity of Birmingham,1995:5 位论文].武汉：华中科技大学，2009：91) 9]Lou Y Z,Zhang K S,Yang C P,et al.Effect of process parame- [18]Zuo B,Wang B Y,Yang L Y.Forming load calculation of hot ters on axial parts with super large area reduction during twice precision forging of eylindrical gears Applied Mechanics and cross wedge rolling.J Univ Sci Technol Beijing.2008,30(4): Materials.Shivan,2014:456
李 智等: 汽车变速器输入轴塑性成形工艺 参 考 文 献 ［1］ Yu J． Ｒesearch on Cold Precision Forming Process and Forming Ｒange of Spur Gear［Dissertation］． Zhengzhou: Henan University of Science and Technology，2012: 32 ( 于静． 直齿圆柱齿轮冷精锻成形工艺及成形范围的研究［学 位论文］． 郑州: 河南科技大学，2012: 32) ［2］ Cheng X W． Ｒesearch on Key Technologies of Warm Forging for Spur Gear ［Dissertation］． Taiyuan: Taiyuan University of Technology，2011: 14 ( 陈晓伟． 圆柱直齿轮温精锻成形关键技术研究［学位论文］． 太原: 太原理工大学，2011: 14) ［3］ Gong D M． Numerical Simulation Ｒesearch on Cold Forging of Spur Gear ［Dissertation］． Hefei: Hefei University of Technology， 2009: 20 ( 龚冬梅． 圆柱直齿轮冷锻数值模拟研究［学位论文］． 合肥: 合肥工业大学，2009: 20) ［4］ Wang B Y，Hu Z H． Contact surface of cross wedge rolling during wedge． J Univ Sci Technol Beijing，1998，20( 2) : 170 ( 王宝雨，胡正寰． 楔横轧楔入轧制接触面几何形式． 北京科 技大学学报，1998，20( 2) : 170) ［5］ Du H P，Zhang K S，Shi H L，et al． Geometrical analysis on right － angle step forming process in cross wedge rolling． J Univ Sci Technol Beijing，2004，26( 6) : 658 ( 杜惠萍，张康生，石洪磊，等． 楔横轧内直角台阶成形过程 几何形态分析． 北京科技大学学报，2004，26( 6) : 658) ［6］ Li W F，Lü H Y，Gong T． Cold extrusion-upsetting technology and design of the die for the multi-diameter shaft． Forg Stamping Technol，2007，32( 3) : 61 ( 黎文峰，吕汉迎，龚涛． 阶梯轴冷挤镦成形工艺及模具设 计． 锻压技术，2007，32( 3) : 61) ［7］ Liu S F，Cai Y，Wu S L． Study on simulation and experimental of gear shaft cold extrusion forming of automobile steering device． J Mech Transm，2004，38( 3) : 161 ( 刘守法，蔡云，吴松林． 汽车转向齿轮轴冷挤压成形仿真及 实验研究． 机械传动，2004，38( 3) : 161) ［8］ Eyercioglu O，Dean T A． Developments and Performance Analyses of Precision Forged Spur Gear［Dissertation］． Birmingham: University of Birmingham，1995: 5 ［9］ Lou Y Z，Zhang K S，Yang C P，et al． Effect of process parameters on axial parts with super large area reduction during twice cross wedge rolling． J Univ Sci Technol Beijing，2008，30 ( 4) : 432 ( 娄依志，张康生，杨翠萍，等． 工艺参数对楔横轧二次楔轧 制超大断面收缩率轴类件的影响． 北京科技大学学报，2008， 30( 4) : 432) ［10］ Wang M L． Force Parameters Ｒesearch by Examination in Second Wedge of Cross Wedge Ｒolling［Dissertation］． Beijing: University of Science and Technology Beijing，2007: 15 ( 王明龙． 楔横轧二次楔入轧制力能参数实验研究［学位论 文］． 北京: 北京科技大学，2007: 15) ［11］ Hu Z H，Zhang K S，Wang B Y，et al． The Forming Technology and Simulation of Parts with Cross Wedge Ｒolling． Beijing: Metallurgical Industry Press，2004: 184 ( 胡正寰，张康生，王宝雨，等． 楔横轧零件成形技术与模拟 仿真． 北京: 冶金工业出版社，2004: 184) ［12］ Cai J，Dean T A． Alternative die designs in net-shape forging of gears． J Mater Process Technol，2004，150( 1) : 48 ［13］ Xu F． Ｒesearch on the Key Technology of Cold Forging Forming for Spur Gear［Dissertation］． Hefei: Hefei University of Science and Technology，2011: 53 ( 许峰． 圆柱直齿轮冷精锻关键技术研究［学位论文］． 合 肥: 合肥工业大学，2011: 53) ［14］ Sadeghi M H． Gear forging: mathematical modeling and experimental validation． J Manuf Sci Eng，2003，125( 4) : 753 ［15］ Ｒen J Ｒ，Zhang Z Z，Cui Y Z． Friction behaviors of the gear forging materials under different lubrications． Lubr Eng，2011， 36( 3) : 81 ( 任靖日，张周周，崔元植． 在不同润滑油下齿轮锻造材料 摩擦特性研究． 润滑与密封，2011，36( 3) : 81) ［16］ Hu C L，Shi W B，Xu X L，et al． A novel cold precision forging process of spur gear with boss and its numerical simulation． J Shanghai Jiaotong Univ，2009，43( 9) : 1994 ( 胡成亮，施卫兵，徐祥龙，等． 带毂直齿轮冷精锻新工艺及 其数值模拟． 上海交通大学学报，2009，43( 9) : 1994) ［17］ Jin J S． Ｒesearch on the Key Technology of Near-Net Shaped Forming for Gears Used in Car ［Dissertation］． Wuhan: Huazhong University of Science and Technology，2009: 91 ( 金俊松． 轿车齿轮闭式冷精锻近/净成形关键技术研究［学 位论文］． 武汉: 华中科技大学，2009: 91) ［18］ Zuo B，Wang B Y，Yang L Y． Forming load calculation of hot precision forging of cylindrical gears / / Applied Mechanics and Materials． Shiyan，2014: 456 ·1369·