倒錐結合齒精密鍛造成型工藝研究

鞠麗　金俊松　李文新

摘 要 研究一種倒錐結合齒精密鍛造成型工藝，以同步器結合齒圈為例，從產品出發，詳述熱鍛、冷精整、擠倒錐各工步設計方法，利用DEFORM 3D模擬分析各工步工藝設計中應該重點關注的細節，簡述模具設計、加工方法，以及實際生產中應該注意的問題。經過兩輪的實驗驗證符合設計預期，滿足產品要求。

關鍵詞 結合齒；倒錐結合齒；精密鍛造；DEFORM 3D；模具制造；五軸高速加工

中圖分類號 TG37 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0072-02

為了防止變速器自動脫檔，變速器中結合齒部越來越多的趨向于采用倒錐結合齒，倒錐角度一般為4°～7°，常用插齒和擠齒加工。插齒工藝中，從鍛造毛坯到粗車、精車、插齒、去毛刺、結合齒倒110°、銑端面油槽、熱后磨凸端面等，工序多時間長。擠齒成形，即將加工出的直齒在專用設備上擠壓出倒錐，工序多擠齒刀具壽命極短。齒輪精密鍛造成形是一種近凈成型技術，可將結合齒部位直接鍛出免于加工，鍛造流線完整，齒部性能更優。

1 結合齒產品分析

圖1是一款鎖環式雙錐同步器，其工作原理是：外摩擦環4和內環6通過六爪連接，中間環5和結合齒圈7通過凸臺連接，換擋時滑動齒套1在換擋力P的作用下與鎖止銷2脫離向左運動與外摩擦環4嚙合，外摩擦環4帶動內環6通同時壓向中間環5，中間環5的內、外錐面均受到摩擦力矩的作用轉速迅速與外摩擦環4和內環6趨同，在轉速相同的瞬間換擋力P帶動滑動嚙合套1順利地與結合齒圈7嚙合，完成換擋。

工作過程顯示在換擋時同步器結合齒圈不承擔傳動功能，其齒部精度較傳動齒輪精度要求低；為便于嚙合和防止脫檔，結合齒部有鎖止角α和倒錐角β。

2 精鍛工藝方案確定

根據同步器結合齒圈的功能要求，其精鍛件的主要特點為：1）齒部包括鎖止角α和倒錐角β均為非加工，其余部位有少量余量車削；2）齒部精度要求一般為IT8～IT9級，粗糙度為Ra3.2；3）齒部圓角極小，一般要求R0.25以下。

為滿足上述要求，并綜合考慮成形工藝和設備，最終將精鍛工藝確定為：

熱鍛→沖孔→毛坯軟化→表面潤滑→冷精整 倒錐。

3 工步圖設計及精鍛模具設計

1）冷鍛件圖設計。冷鍛件圖是在成品圖基礎上，在上下端面、內外圓等位置加量0.5mm～1mm。齒部保持產品尺寸并適當調整，增加鍛造圓角，凸圓角R0.25，凹圓角R0.5。鍛出齒部鎖止角、倒錐角。

2）工步圖設計及型腔設計。倒錐和冷精整均為常溫鍛造，主要差別在齒部是否有倒錐。熱鍛工步有鐓粗、預鍛、終鍛三步，鐓粗工步的主要作用是預成型和去除氧化皮；預鍛工步沒有鍛出齒形，以便于放入終鍛型腔；終鍛工步需考慮精整變形量、熱脹量等。由于是閉式無飛邊鍛造成形，必須精確控制坯料重量和端面質量，并考慮好前一工步到下一工步時坯料的準確定位。熱鍛預留的齒部變形量應合理，保證冷精整時齒部充填容易，操作上坯料易于放入齒模。型腔設計除要遵從工步圖外，還涉及冷熱尺寸配合、模具壓裝前后尺寸變化、坯料加熱溫度的影響、模具溫度的影響、鍛打時打擊力的影響、鍛件氧化皮損耗補償等等。齒部參數的選擇和確定，以及齒部附近鍛造余塊的選擇很關鍵。熱鍛齒形一般預留單邊0.1mm～0.2mm的變形量，圓角部位也較大，為R0.5-R1；冷精整時齒形達到產品尺寸，圓角部位充填更加飽滿，凸圓角至R0.25，凹圓角至R0.5；倒錐時齒形不變，主要是形成倒錐角β，軸向方向上齒厚由大端至小端的變化。如果齒部參數不合理，則冷精整時不易保證尺寸；余塊選擇不當，則會導致打擊力極大，對成形和鍛打設備不利。

3）數值模擬分析。利用DEFORM 3D進行有限元模擬分析。鐓粗直徑會影響到齒部的充填效果，鐓粗坯料放入預鍛型腔時必須定位準確；預鍛保證上模位置不能擠出毛刺，以避免轉180°放入終鍛齒模時在齒部留下折疊等鍛造缺陷。由于熱鍛到冷精整的變形量很小，并且冷態時齒部充填非常困難，因此，熱鍛件齒部必須充填飽滿。熱鍛時如果沒有前文所述減重槽部位增加的鍛造余塊，則冷鍛時打擊力會非常大，對鍛壓設備和齒模都是非常不利的。另外，在模擬中也可以明顯看到熱鍛終鍛時減重槽處如果預設一個很小的角度，則可以明顯降低冷精整時的打擊力。冷精整時齒部要完全達到產品尺寸，以便倒錐工步只是少量變形形成錐角，從而保護較為脆弱的倒錐

模具。

4）模具結構及模具加工。鐓粗、預鍛工步用常規模具結構；終鍛工步以及冷精整模具均設計成帶有環形下頂出的結構，以防止頂出時鍛件變形。熱鍛和冷精整的齒模部分采用應力圈結構以更好的保證鍛件尤其是的尺寸精度和尺寸穩定性。模具加工是結合齒精鍛的另一關鍵環節。結合齒模具模數小齒數多，型腔較深，采用電火花加工效率低，表面硬化層需手工拋光，工作量大。采用先進的五軸高速加工技術加工，工序少加工周期短效率高，模具尺寸穩定。

4 需要注意的一些細節

生產時，熱鍛工序加熱溫度1170±30℃，能得到充滿性較好的熱鍛件，溫度過低齒部不易充滿，打擊力大，模具壽命差，溫度過高氧化皮厚。為保證冷精整時齒部尺寸穩定性，毛坯軟化時最好用氣氛保護爐，防止嚴重的二次氧化。表面清理采用轉臺拋丸機或手工噴砂，噴砂效率較低但表面效果優于拋丸。冷鍛設備用肘桿式精壓機，需事先調整好閉合高度，生產時根據冷鍛件充滿情況再微調閉合高度。倒錐模結構復雜安裝難度較大，裝配前務必將各個部件清洗擦拭干凈。毛坯機加工時必須先以精鍛出來的齒部鎖止角一端定位車一面，再粗精車另一面至端面與鎖止面棱線根部平齊。

5 結論

實際生產結合齒部帶有倒錐角產品的廠家很少。上述工藝、模具、現場控制方法經過一段時間驗證，滿足產品要求，符合設計預期，總結如下：1）工藝采用熱鍛加冷精整成型，可保證產品精度和尺寸穩定性；2）利用DEFORM 3D有限元分析可以有效預防常規鍛造缺陷，優化設計；3）模具加工采用先進的五軸高速加工技術完成，工序少加工周期短效率高；4）與插齒和加工后擠齒工藝相比，精密鍛造成形倒錐結合齒效率更高，模具壽命長，產品尺寸精度穩定。

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