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汽車變速箱間隔襯套精密鍛造模具設計及坯料尺寸優(yōu)化
精密鍛造成形具有生產(chǎn)效率高、成形精度高、綜合力學性能好等優(yōu)點,是目前汽車變速箱間隔襯套的主要成形工藝。結合零件特點設計了間隔襯套精密鍛造及切邊模具,采用有限元分析方法對間隔襯套鍛造成形過程、毛坯尺寸優(yōu)化以及進行沖連皮過程進行了分析。

間隔襯套是汽車變速箱的主要零件之一,在汽車運行過程中承受較高的齒輪高速摩擦力和軸向應力,間隔襯套作為汽車變速器主要零部件需求很大,生產(chǎn)工藝有鑄造、鍛造和粉末冶金等,相比于其他生產(chǎn)工藝,精密鍛造成形工藝生產(chǎn)的間隔襯套以力學性能優(yōu)、體積小等優(yōu)點,占據(jù)著間隔襯套總產(chǎn)量的70%左右,因此鍛造成形是間隔襯套的主要成形工藝。
延長鍛造模具壽命、提高材料利用率、實現(xiàn)自動化生產(chǎn)是提高鍛造間隔襯套市場競爭力的關鍵問題所在。鍛造過程數(shù)值模擬分析技術可以對包括零件加熱、鍛造、切邊以及校正等精密鍛造全過程進行有限元分析,是提高汽車零件精密鍛造效率的重要手段。本文以某型號間隔襯套為分析對象,采用數(shù)值模擬分析方法對間隔襯套成形以及切邊全鍛造過程開展分析,為車用零件精密鍛造成形工藝優(yōu)化探索出一種實用的設計方法。

工藝方案及模具設計確定

某新型汽車變速器間隔襯套高25mm,外直徑為φ65mm、內圓直徑為φ39.8mm,材料為45#鋼。根據(jù)間隔襯套零件特點設計間隔襯套鍛件如圖1(a)所示。分模面設置在零件最大輪廓處,單面機械加工余量2mm,外斜度用2°、內斜度用3°;圓角半徑R 為3mm、外圓角半徑r 為1.5mm;間隔襯套的連皮類型為斜底連皮,厚度為4mm,內腔最大深度為42mm。根據(jù)上部分模特點,未設計飛邊槽結構,鍛造模具設計如圖1(b)所示。

有限元模型建立及參數(shù)設置

間隔襯套鍛造成形以及沖孔過程模擬用有限元模型如圖2 所示。為節(jié)約計算時間,鍛造及沖孔均采用1/4 對稱模型,沖孔采用Normalized Cockcroft & Latham 斷裂準則,模擬用主要參數(shù)見表1。

鍛造過程模擬及分析

間隔襯套鍛造成形過程分析

采用棒狀毛坯的間隔襯套鍛件成形過程,如圖3所示。鍛造過程開始階段,毛坯主要發(fā)生自由鐓粗變形;當零件側壁型腔填充滿后,金屬向下流動將下模底部填滿;下模型腔基本充滿后,金屬材料隨著上模向下移動而進行反向擠壓流動,與上模底部接觸后橫向流動直到型腔全部填充,多余金屬形成飛邊。間隔襯套鍛件成形過程載荷-行程曲線,如圖4 所示,充滿型腔階段成形載荷大幅提高,形成飛邊后成形載荷直線上升。

間隔襯套毛坯尺寸優(yōu)化

不同尺寸毛坯成形等效應變分布,如圖5 所示。φ50mm×20mm、φ52mm×20mm 毛坯不能充滿型腔;φ52mm×25mm 毛坯可以完全充滿型腔但產(chǎn)生大量飛邊;φ50mm×25mm、φ52mm×22mm、φ52mm×23mm 均能完全充滿型腔,成形過程中未發(fā)現(xiàn)缺陷并且也產(chǎn)生了適量的飛邊。綜合下料情況、飛邊大小及材料利用率,最終認為φ52mm×23mm為間隔襯套鍛件毛坯最佳尺寸。

間隔襯套沖孔過程分析

間隔襯套沖孔過程不同階段等效應力,如圖6 所示。圖6(a)為鍛造成形后間隔襯套鍛件截面圖;沖孔過程開始階段,沖孔連皮與沖頭接觸區(qū)域開始發(fā)生塑性變形圖6(b),隨后整個沖孔連皮發(fā)生較大塑性變形圖6(c);隨著沖頭快速下移沖孔連皮開始與鍛件分離圖6(d),變形主要發(fā)生沖孔連皮與沖頭接觸區(qū)圖6(e)。圖6(f)為沖孔后的間隔襯套,零件內表面斷裂帶明顯,鍛件整體未發(fā)生較大變形。

工藝方案驗證

采用優(yōu)化后毛坯尺寸進行汽車變速箱間隔襯套鍛件生產(chǎn),鍛造過程與模擬結果一致,如圖7 所示,零件表面質量檢測以及后續(xù)無損探傷均未發(fā)現(xiàn)缺陷,驗證了汽車變速箱間隔襯套鍛造全過程有限元模擬的可靠性。

結論

⑴根據(jù)零件特點設計了間隔襯套精密鍛造模具,通過數(shù)值模擬分析將間隔襯套鍛造過程分為自由鐓粗、側壁型腔填充滿、下模底部填滿、反向擠壓、全部填充、形成飛邊六個階段。
⑵采用有限元分析方法對毛坯尺寸進行了優(yōu)化,得到了最優(yōu)的汽車變速箱間隔襯套鍛件毛坯尺寸φ52mm×23mm。
⑶對間隔襯套沖孔過程進行了數(shù)值模擬分析,得到的沖孔效果與實際鍛造一致,驗證了鍛造全流程模擬的可靠性。


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