汽車發動機軸承端蓋擠壓成形工藝研究

中圖分類號：U464.13 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0111-03

Research on the Extrusion Forming Process of Bearing End Plate for Automobile Engin

Wang Jingjing，Liu Lili （Shangqiu Institute of Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476ooo，China）

【Abstract】This article takes the bearing end cover of anautomobile engine ina certain automobile manufacturing plantastheresearchobject，conductsa feasibilityanalysisof thehotextrusionprocessforthe bearing endcover， selectsthe hot extrusion equipment，determines the main processparameters in thehot extrusion processcheme，and designs the forging die.Modeling iscarried outby3D software toobtain various data parameters.Comparedwith traditional methodsand traditional procesing methods，thisdesign issimpler，the mold structure accuracy is higher， thematerial lossrate islowerand more efficient.

【Key words】 bearing end plate；hot extrusion；Deform-3D；simulation

0 引言

隨著汽車產業的不斷發展，對汽車傳動用的齒輪箱內部零件的性能提出更高的要求。軸承端蓋作為傳動箱內連接軸承和傳動軸的重要零件，其品質直接影響著汽車齒輪傳動箱的性能。對其毛坯的熱擠壓成形提出較高的要求，以滿足其設計要求。

汽車傳動箱的軸承端蓋，在生產運用過程中，其傳力大，受周期負載作用。零件質量上下偏差不能大于 50g ，要求其有較高的尺寸精度。同時，軸承端蓋表面大多為加工面，為了節約加工時間，加工余量設計比較小，尺寸精度須由熱擠壓成形保證，所以對鍛件的熱擠壓工藝提出很高要求。如何提高軸承端蓋品質，成為一項新的課題。工藝和設備是密不可分的，好的工藝需要由設備來保證，NPS型高能液壓機，是從德國引進的新型液壓設備，它是20世紀90年代國際先進設備，可滿足軸承端蓋熱擠壓成形的工藝需求[]。

NPS型高能液壓機結構復雜，行程速度快，壓力大，能夠在行程的任何位置停止，且具有很高的沖擊力，彌補了液壓機行程慢、受偏載能力差的缺點。使用高能液壓機擠壓零件，鍛造精度高，壓模壽命長，工作條件好。由于其擠壓能量大、速度高、閉式擠壓無飛邊和品質好的特點，節約了原材料，提高了生產效率，大大加強了鍛件的市場競爭力。

整個模具設計過程，首先應考慮滿足鍛件尺寸的精度要求和良好的組織特性的同時滿足性能要求；其次，還應考慮到鍛模的強度和使用壽命足夠長的可能性，以及生產、安裝、調節簡單等要求。因此，在設計鍛模時，應綜合分析各種鍛模形狀的規律性和工藝性能，研究工藝材料和模具的機械、物理和化學性質，了解其工作特性、結構和工藝特點[2]。

1端蓋擠壓成形的優點

隨著近年科技的發展，特別是在汽車零部件領域，擠壓技術得到了廣泛的推廣并取得了非凡的效果，已成為先進的金屬制造工藝之一。端蓋擠壓成形的優點從以下6個方面闡述。

1）節省材料，減少成本。相較于傳統工藝而言，材料的使用要好得多，減少了鋼材的使用，降低了成本且提高了生產率。

2）縮短加工時間。減少生產時間是縮短生產周期、節約成本、提高生產效率的生產性現代工業系統必需的一步，生產水平的大規模提高實際上等同于價格的降低。

3）減少能源的消耗與設備的投資。閉式熱擠壓是一種無飛邊、無二次作用的精密成形。

4）成形件綜合性能優良，力學性能提高。該零件具有優良的通用特性及力學性能，提高了金屬纖維的力學性能。在三維擠壓過程中，零件經閉合熱擠壓精密成形為金屬。張緊狀態下，這種變形可以形成致密均勻的材料纖維結構。精密擠壓件（如熱擠壓件）的主要廢料輪廓不明顯，在擠壓過程中加工出更為敏感的金屬纖維和溝槽，顯著提高了零件的耐磨性、機械性能和耐久性。

5）大幅提高模具表面處理精度，延長模具使用壽命。在擠壓工藝中將金屬表面經過高壓加熱后擠出。零件表面的粗糙度可以達到 Ra0.2～1.6μm ，使得零件在外觀上已經達到了完美的粗糙度和精度。

6）可以加工各種復雜的零件。如圓形軸承的端蓋、波形管殼、等速萬序星形罩等。

2軸承端蓋結構分析與設計

2.1零件結構分析

軸承端蓋是輪盤的典型零件，常用于變速器中。軸承端蓋的基本形狀為同軸旋轉體，其結構可分為圓柱和圓盤兩種，軸向尺寸小于徑向尺寸，因此被廣泛應用。缺點是體積大，需要一套螺絲連接]。

本文設計的端蓋結構采用直徑 100mm 的圓柱底面作為底座，在此基礎上設計了連接圓柱體的零件。零件直徑 62mm （鍛件尺寸為 66mm ），盤厚 12mm （鍛件尺寸為 16mm ），總厚度 28mm （鍛件尺寸為 32mm ），因加工余量為 2mm ，故鍛件軸尺寸比零件尺寸大4mm ，鍛件孔尺寸比零件尺寸小 4mm ，屬于典型的盤類型零件，特別適合熱擠壓成形。軸承端蓋零件圖如圖1所示。

2.2 零件造型

利用三維軟件對零件進行建模、數據分析，可以較為輕松和準確地得到簡化部件和其他部件的體積、質量等[4]。

UG/NX獨有的參數化設計理念，不僅采用單數據庫設計，支持同步工程功能，還具有以下特點：① 采用三維實體結構，在展示模型的同時，還可以簡單計算各種物理尺寸； ② 以特征為基礎的參數式模型創建； ③ 參數式設計。

本文設計直接應用了三維軟件UG的參數設計功能，根據上文設計好的圖紙尺寸和其他的相關參數得到零件的實體三維圖，如圖2所示。

2.3計算零件的體積、質量

閉式熱擠壓對原材料的體積和質量有嚴格的要求，金屬小孔無法填滿型腔，所以必須精確計算齒輪箱的體積和質量。UG/NX可以用來分析UG模型/NX函數直接決定三維圖形的內容，輸入適當的密度即可計算出該零件的質量4，得到的體積和質量都很準確。利用三維軟件自動計算分析得到的體積為 99902.3mm³ 。

2.4零件材料選擇

45鋼是一種高強度、高硬度、排他性好、交叉成形小的優質建筑鋼。在高溫下具有很高的抗反轉和抗缺陷功能。廣泛應用于生產牽引機車、長工具、壓力罐、后橋、中聯軸節、彈簧帶等[5]

零件材料選用原因： ① 綜合機械性能好； ② 硬度適中，260＼～300HB，表面噴丸處理，探傷后沒有裂紋。綜上采用45鋼材料。

3有限元模型的結果分析

3.1 網格劃分

軸承端蓋的擠壓成形工藝方案是零件在加熱后一次性擠壓成形，因此對零件工藝方案的成形過程進行觀察。根據圖3的網格劃分可以看出擠壓過程中金屬在不同階段的流動情況。

3.2成形過程中的等效應力和溫度場分析

軸承端蓋熱擠壓成形的過程中，等效應力分布是判斷材料流動性和模具壽命的重要指標。對數值模擬結果進行分析發現，端蓋圓角部位的等效應力最大，與材料變形過程中所受剪切力集中和摩擦力集中作用有關，如數值模擬過程中，當端蓋溫度場的溫度不均勻時，等效應力最大值出現在溫度低的位置，所以端蓋變形過程中，當溫度場不均勻分布時，會造成等效應力分布不均勻的現象。由Deform-3D軟件模擬軸承端蓋熱擠壓成形的過程，得到等效應力分布圖（圖4），并結合馮·米塞斯屈服準則可以得出最大應力達到 1010MPa ，能夠滿足變形的要求。對等效應力進行計算，結果反映材料在熱擠壓成形過程中發生屈服的情況，為優化工藝參數提供理論依據。綜合試驗數據進行分析，驗證了數值模擬結果的準確性，保證模擬結果具有良好的可靠性。

軸承端蓋在熱擠壓成形工藝中，溫度場的變化決定著材料的填充、成形效果和模具使用壽命。利用數值模擬能夠觀察到熱擠壓過程中的溫度場分布呈不均勻變化，在零件成形加工之后，溫度分布梯度差值較大，不僅會影響材料的微觀組織性能，還會導致熱應力的出現，對產品的尺寸精度和表面粗糙度產生不利影響。由圖5可知，擠壓筒溫度場分布呈現中心溫度比邊緣高的趨勢，其中心部位溫度達 788°C ，邊緣部位溫度達 662^°C 。內外溫差在 100^°C 左右會出現零件加工之后，由于溫差比較大造成組織應力分布不均勻問題，導致零件的使用功能下降。

4結論

本文用三維軟件對軸承端蓋擠壓成形工藝進行

了分析，在UG和Deform-3D軟件的基礎上，對部件的熱擠壓過程進行了分析模擬與模具設計。通過對設計產品的研究，開發出二維CAD圖和三維UG/NX圖，然后開發 Deform-3D 有限元數值模擬程序，將模擬結果轉化為產品尺寸和工程變量的半成品，優化部件的形狀結構和形狀誤差。

注：本文為河南省高等教育教學改革研究與實踐立項項目（2024SJGLX0220）和商丘工學院高等教育教學改革研究與實踐項目（2024JGXM01）的研究成果。

參考文獻

[1]呂炎.鍛模設計手冊（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]鄧明.實用模具設計簡明手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]詹友剛.Pro/ENGINEER中文野火版教程———零件設計范例[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]張京，吳淑芳.軸承端蓋溫擠壓成形工藝模具磨損研究[J].中國鑄造裝備與技術，2018，53（5）：14-18.

[5]田福祥.直傘齒輪精鍛模齒模的設計與制造[J].模具制造，2002（12）：28-33.

（編輯楊凱麟）