汽车空心齿轮轴闭塞式锻造工艺仿真与优化_霍天枢.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023汽车空心齿轮轴闭塞式锻造工艺仿真与优化霍天枢1,潘鸣宇2(1.吉林开放大学 理工系,吉林 长春 130022;2.长春工程学院 工程训练中心,吉林 长春 130012)摘要:为了改善汽车空心齿轮轴的成形质量和尺寸精度、提高生产效率、控制成本,提出采用闭塞式锻造工艺成形该齿轮轴。通过有限元分析方法,对锻造成形过程进行了仿真计算,通过材料流动分析选定了合适的锻模结构方案,即 4 冲头结构方案,并在此基础上对各冲头的运动方式进行了研究,以各模具承受的载荷、表面温度和成形后零件的质量为研究对象,对工艺方案进行了优化。结果显示:当冲头的运动方式为方案 B 时,能够有效地降低空心齿轮轴产生裂纹的概率,提高成形质量,同时所需的最小合模力最小,模具表面温升最不明显,有利于延长模具寿命。最后,完成了空心齿轮轴锻件的试制,所得锻件充型完整,斜齿质量好,其结构尺寸达到了设计要求。关键词:空心齿轮轴;闭塞式锻造;锻模结构;最小合模力;冲头DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.002中图分类号:TG316.8 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0010-07Simulation and optimization on closed forging process for automobile hollow gear shaftHuo Tianshu1,Pan Mingyu2(1.Polytechnic Institute,Jilin Open University,Changchun 130022,China;2.Training Center,Changchun Institute of Technology Engineering,Changchun 130012,China)Abstract:In order to improve the forming quality and dimensional accuracy of automobile hollow gear shaft,improve the production efficiency and control the cost,the closed forging process was proposed to form the gear shaft,and the forging process was simulated and calculated by the finite element analysis method.Then,through the material flow analysis,the suitable forging die structure scheme was selected,namely,the four-punch structure scheme,and on this basis,the movement mode of each punch was studied.Furthermore,taking the load on each mold,the surface temperature and the quality of formed parts as the analysis objects,the process scheme was optimized.The results show that when the movement mode of punch is scheme B,it can effectively reduce the probability of cracks on the hollow gear shaft and improve the forming quali-ty.At the same time,the required minimum mold clamping force is the smallest,and the temperature rise on the mold surface is the least obvi-ous,which is beneficial to improve the life of mold.Finally,the trial production of hollow gear shaft forgings is completed,the obtained forg-ings are filled completely,the quality of helical teeth is good,and the structure and sizes meet the requirements of design.Key words:hollow gear shaft;closed forging;forging mold structure;minimum mold clamping force;punch收稿日期:2022-08-06;修订日期:2022-11-12基金项目:企事业单位委托科技项目(ZC20222003)作者简介:霍天枢(1989-),女,硕士,讲师E-mail:huotianshu000 汽车空心齿轮轴是变速箱中的重要零件,通过齿轮啮合的方式传递动力和运动,车辆运转时的工作条件恶劣,需要连续承受交变载荷的作用,因此,非常考验零件的成形质量和力学性能1。空心齿轮轴的尺寸结构图如图 1 所示,包含斜齿、贯穿孔、台阶轴等特征,具有一定的复杂性,零件截面的最小尺寸为 53 mm,不及最大尺寸的一半,截面尺寸差异大,同时孔的深径比较大,这些均加大了成形图 1 空心齿轮轴的尺寸结构图Fig.1 Dimensional structure diagram of hollow gear shaft的难度。目前,该产品在市场上常见的成形工艺有铸造、切削加工、开式锻造、多工位模锻等。其中,铸造成形易产生缩孔、凹陷等问题2-3,导致零件质量及性能较差,已无法满足当下需求,因此已经淘汰,而另外几种工艺仍有采用,但均存在一定缺陷,例如:切削加工工艺的材料成本较高,利用率低,仅为 25.14%,并且加工后的零件组织连续性差,会影响斜齿强度、降低空心齿轮轴的使用寿命;开式锻造工艺,仍需配合切削加工,无法一次成形,大大影响了生产效率;多工位模锻工艺4-5是当下空心齿轮轴生产使用最多的工艺,适合大批量生产,零件的质量和性能较佳,斜齿强度也能得到保证,但需经反挤成孔、正挤缩径、镦粗成齿、冲孔等多道工序,模具成本相对较高,并且成形方案不唯一,风险点较多,需根据实际生产不断优化,因此,均无法在市场上形成绝对的竞争优势。企业要想脱颖而出,提高市场销量,必须开发一种集材料利用率、生产效率、产品质量性能、模具成本、自动化程度等优势于一身的生产工艺,因此,最终决定尝试将闭塞式锻造工艺应用于该轴件的生产。闭塞式锻造工艺是对可分凹模施加一定的合模力,以保证模具闭合形成封闭型腔,再通过若干冲头从不同方向挤压坯料,使零件在一次变形中获得复杂型面的一种加工工艺6-7。在变形时,坯料处于三向压应力状态,有利于大变形的进行8-9,能够有效促进晶粒细化,同时,通过材料转移实现成形,有利于消除内部缺陷,保证连贯的金相组织,因此,最终成形件的质量和性能更好。但是,闭塞式锻造工艺中冲头数量和运动方式的不同,对零件成形质量和模具寿命的影响甚大,因此需进行优化,采用有限元分析方法,对锻模结构及冲头运动方式进行研究,以达到提供工艺参数设计依据、减小实际试验成本、加快实现生产应用的目的。1 工艺分析与设计空心齿轮轴的材料的为 42CrMo 合金钢,其强度高、韧性好,常温下的锻造变形抗力大,对锻压设备的吨位要求较高,也易造成零件开裂、冲头折断等问题,因此,通常在材料加热后再进行锻造。设计的空心齿轮轴的锻件图如图 2 所示,将投影面积最大的平面作为分模面10,采用竖直锻造,以便于锻件出模和锻模制造。锻件连皮设计在中部,若在两侧,会导致冲头的长度过长、加大断裂风险。设计的两种闭塞式锻模结构方案如图 3 所示,一种采用 3 冲头结构,模具结构相对简单,另一种采用4 冲头结构,成形时间短。两种方案中坯料均定位简单,坯料规格相同,需严格控制坯料下料尺寸,图 2 空心齿轮轴锻件图Fig.2 Diagram of hollow gear shaft forging 料少会造成锻件充填不满,料多则会损坏模具,依据体积不变定律11,可知坯料尺寸为 53.0 mm250.5 mm。实际成形流程为:锯床下料坯料称重筛选坯料加热、模具预热闭塞锻造冲连皮余热退火。2 建立刚塑性有限元模型通过 Solidworks 软件建立了图 3 所示的闭塞锻模结构的简化模型,其中,上、下凹模装配成闭模状态,坯料置于型腔中,确定好各冲头的位置关系后,取 1/2 模型作为模拟对象导入 Deform 中进行模拟计算,以提高模拟精度和计算速度。锻件材料为42CrMo 合金钢,可根据文献 12 获得其在高温条件下的压缩流变模型,具体模型如式(1)所示,将其导入软件中完成模型建立。=1.34 1018sinh(8.198 10-3)8.1434exp-4.6334 10-5/(RT)(1)式中:为应变速率,s-1;为流变应力,MPa;R为气体常数,取 8.314 J(molK)-1;T 为绝对温度,K。采用刚塑性有限元法,选择热力耦合分析模式,模具为刚体,加热温度为 380,上、下凹模划分网格数为 42000 个,冲头划分网格数为 12000 个,坯料为变形体,加热温度为 1050,划分网格数为50000 个。设定传热面和对称面,传热系数恒定为11 N(smm)-1。设定摩擦条件,润滑状态下摩擦因数为 0.313。两种锻模结构中各冲头的运动方式按照图 4 在软件中进行设置:3 冲头方案中,上冲头 1 和上冲头 2 沿图 3a 中箭头所示方向运动,11第 6 期霍天枢等:汽车空心齿轮轴闭塞式锻造工艺仿真与优化 图 3 空心齿轮轴闭塞式锻模结构设计方案(a)3 冲头结构(b)4 冲头结构Fig.3 Structural design schemes of closed forging die for hollow gear shaft(a)Three-punch structure(b)Four-punch structure图 4 各冲头的运动方式(a)3 冲头结构(b)4 冲头结构Fig.4 Movement mode of each punch(a)Three-punch structure(b)Four-punch structure下冲头沿箭头反方向运动;4 冲头方案中,上冲头 1和上冲头 2 沿图 3b 中箭头所示方向运动,下冲头 1和下冲头 2 沿箭头反方向运动。3 模拟结果分析3 冲头结构中空心齿轮轴的成形过程如图 5a所示,虽然棒料的高径比较大,但在上、下凹模型腔约束下不会出现失稳弯曲现象。受上冲头 1和上冲头 2 挤压后,金属迅速向下流动,但受到下凹模及下冲头的制约,导致金属主要流向阻力更小的水平方向,开始镦粗填充斜齿型腔。但是,仍有少量金属会流入下凹模与下冲头之间的缝隙中形成飞边,因此,可能会出现金属过多流失造成后期锻件充不满的问题。上冲头 1 到达最终位置后,形成与空心齿轮轴外轮廓相同的密闭型腔,上冲头 2 继续向下挤压,下冲头开始向上挤压,两端内孔开始成形,两端金属主要向中间聚集,进一步填充斜齿型腔,完成锻件成形。最终锻件的充型结果如图 6a 所示,齿轮轴斜齿上端节点缺失,表明该部位未与模具型腔完全接触,存在齿形成形不足的问题,理论上可通过增大坯料体积或者控制下凹模和下冲头间的配合间隙来解决14,但是会影响模具寿命