孫新毅

（上海交運集團股份有限公司汽車零部件制造分公司，上海 201206）

9速自動變速箱輸出太陽輪輪轂旋壓增厚工藝設(shè)計

孫新毅

（上海交運集團股份有限公司汽車零部件制造分公司，上海 201206）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車中的零部件的結(jié)構(gòu)日新月異，極大地改善了汽車性能、可靠性、燃油經(jīng)濟性，但也因此對零部件企業(yè)的生產(chǎn)提出了更高的加工要求。文章介紹了一款9速自動變速箱中的輸出太陽輪輪轂的旋壓增厚工藝，通過這種工藝，能夠很大程度上的節(jié)省材料，也為將來類似零件的加工開辟了一條新的工藝路線。

9速；自動變速箱；輸出太陽輪輪轂；旋壓；增厚

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-87-04

引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展與日益成熟，乘用車已經(jīng)不再是簡簡單單的一個交通工具，駕乘者對座駕的性能和舒適性要求越來越高。變速箱作為提升汽車性能及舒適性的重要組成部分，從手動變速箱的無同步器到有同步器，再到AMT，AT，DCT，CVT甚至混動的ECVT，其發(fā)展真可謂是日新月異。在眾多自動變速器發(fā)展過程中，AT也從10年前的4速逐漸升級到6速，8速乃至9速，10速。當(dāng)然擋位越多換擋就越平順，越是新的變速箱其中的零部件的加工難度也越是高，如果工藝上沒有一些創(chuàng)新就會很難做到經(jīng)濟性甚至根本加工不出。用于制造不同形狀的旋轉(zhuǎn)體零件和冷壓成形金屬零件，由于采用旋壓工藝可以用比較簡單的設(shè)備和工裝制造出形狀復(fù)雜的零件，而且質(zhì)量好，成本低（小批量生產(chǎn)時）、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，所以得到廣泛的應(yīng)用。

本文主要對目前A公司的新一代9速自動變速箱中，換擋執(zhí)行機構(gòu)中的1-2-3-4-5-6檔輸出太陽輪輪轂的旋壓增厚工藝進行分析。

1、太陽輪輪轂零件分析

1.1 輪轂零件

如圖1所示，零件結(jié)構(gòu)為淺杯狀，筒內(nèi)壁上有內(nèi)花鍵，花鍵齒高3.7mm，齒底帶有小油孔，壁厚為2.0mm，端面上有6個對稱的三角形減重孔，端面壁厚為2.5mm，中孔交付下游后會焊接一個齒輪，因此孔徑公差為±0.025mm。零件的材料選用SAE J2340 420XF。

圖1 太陽輪輪轂零件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sun wheel hub parts structure

其功能為中孔焊接一太陽輪（斜齒輪）后，裝在變速箱換擋機構(gòu)中，作輸出太陽輪作用，此處太陽輪即為自動變速箱辛普森行星輪系中的太陽輪。該零件在9速變速箱的1、2、3、4、5、6檔時均參與傳遞扭矩作用。

1.2 工藝初步分析

花鍵為內(nèi)花鍵，花鍵齒頂處的材料遠多于齒底部和端面。內(nèi)部端面與花鍵是斜面光滑過渡，排除了大部分比較經(jīng)濟的機加方式。雖然沖壓和從外側(cè)敲打花鍵不能使用，但可以從冷成型方面考慮。

由于該零件各截面面積不同，成型工藝涉及材料力學(xué)性能和可流動性，跟據(jù)零件要求的材料SAE J2340 420XF查得：

表1 SAE J2340 420XF材料性能Table.1 SAE J2340 420XF Material property

該材料通常為板材，根據(jù)材料特性，判斷它屬于易成型性的鋼材。根據(jù)A公司現(xiàn)有工藝，決定使用強力旋壓成型包括花鍵的零件大體結(jié)構(gòu)，旋壓后再通過機加外表面、割裙邊車內(nèi)孔、測沖油孔、沖減重孔等多次工序，完成對整個零件的加工。但是旋壓成型花鍵部位根據(jù)經(jīng)驗最少需要6.5～7mm厚度的材料，而成品零件端面處僅為2.5mm厚，如果初始使用7mm厚的板材旋壓零件，端面需要從7mm車到2.5mm，對材料和加工工時都是較大的浪費。通過旋壓將薄的板材先增厚到7mm再進行外形和花鍵的成型。

1.3 旋壓成型法

旋壓加工是漸進性過程，類似于金屬擺動輾壓和橫向軋制，同屬于金屬回轉(zhuǎn)成形范疇。就旋壓成形方式而言，多種多樣，與大多車床的金屬切削類似，除專用旋壓機床加工以外，還可以利用經(jīng)改裝的車床進行。但在金屬變形的實質(zhì)性上存在截然差異，前者為無切削的壓力加工，后者為切削加工。

旋壓是一種古老的工藝方法，它的變形特點是金屬板坯產(chǎn)生直徑上的收縮或擴張，成形后，工件的壁厚相對于坯料的厚度略有減薄或增厚，并可沿工件母線作不均勻的分布。但是壁厚上的變化僅次于直徑上的變化，處于第二位，即改變形狀是主要功用。強力旋壓又稱變薄旋壓，強力旋壓是在普通旋壓基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種近無余量加工方法，其實質(zhì)為利用旋壓輥子加高壓于坯料，旋轉(zhuǎn)坯料借助外力沿成形模具進行局部逐漸輾壓產(chǎn)生塑性變形而變薄，從而得到高精度薄壁回轉(zhuǎn)體零件。旋壓工藝具有如下顯著特點：

1）變形區(qū)面積小，變形力能小，單位壓力高；

2）旋壓后金屬纖維連續(xù)完整、晶粒細化、力學(xué)性能提高；

3）旋壓制品尺寸精度高，表面質(zhì)量好；

4）旋壓制品種類繁多，尺寸范圍廣；

5）坯料來源廣；

6）材料利用率高，省工時，產(chǎn)品成本低。

但旋壓工藝本身也有一定的局限性。只限于加工軸對稱空心薄壁回轉(zhuǎn)體，而非軸對稱回轉(zhuǎn)體和形狀復(fù)雜的工件工藝難度大，而且不經(jīng)濟，甚至難以加工；其次對毛坯厚度有一定的限制，否則加工比較困難，同時，影響旋壓過程的工藝因素多且復(fù)雜，對設(shè)備和工藝操作技術(shù)要求較高。而且在許多情況下，要與其他工藝如沖壓、焊接、機加工、熱處理和整形等相配合，才能最終完成產(chǎn)品加工。

無論在軍工還是民用方面，旋壓技術(shù)都已得到廣泛的應(yīng)用。

2、工藝參數(shù)設(shè)計

2.1 輪轂工藝分析

金屬的旋壓成形過程中，變形過程比較復(fù)雜，依靠人工根據(jù)力學(xué)理論進行計算計算量龐大，因此考慮使用有限元軟件進行工藝計算分析?；谛×质防珊蚅ee.C.H于1973年提出的剛塑性有限元法，該理論在其提出后的20多年中也得到了很大的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用在各種塑性加工問題中。

根據(jù)剛塑性力學(xué)的基本方程，剛塑形材料發(fā)生變形時應(yīng)滿足如下條件：

平衡微分方程：

1）幾何方程：

2）本構(gòu)方程：式中Y為材料的屈服應(yīng)力5）體積不可壓縮條件

6）邊界條件（包括應(yīng)力邊界條件和速度邊界條件）：

在應(yīng)力邊界條件Sp上σijnj=Pi ；

式中nj - Sp 為表面任一點處外法線矢量的分量。

2.2 坯料仿真分析

本計算使用Deform軟件，坯料設(shè)置為外徑224mm，內(nèi)孔35mm，厚度4mm；芯棒和尾頂給予其300RPM的轉(zhuǎn)速，與坯料接觸；旋輪槽底寬為7mm，圓角半徑R=2.5mm，槽深17mm，外口寬度8.5mm，使用初始50RPM的轉(zhuǎn)速，以2mm/s的速度向X軸負方向進給，如圖2所示。

分析結(jié)果顯示坯料可以按照預(yù)想的將材料從外邊緣沿徑向向內(nèi)擠壓，在該參數(shù)下外邊緣首先開始向兩邊延伸，但翻卷速度低于向兩邊延伸速度，材料不會折疊起皺，并且破損分析結(jié)果理想，能夠達到工藝要求和機械性能的要求。

圖2 旋壓示意圖Fig.2 Spinning drawing

2.3 工藝參數(shù)

通過CAE結(jié)果初步判斷方案可行性，對其進行工藝參數(shù)的調(diào)試。

本調(diào)試使用設(shè)備為德國Leifeld 的FFC 400，該設(shè)備帶有三個互為120°的獨立旋輪座以及和第二旋輪對稱布置的第四旋輪。其可加工零件外徑最小55mm，最大400mm；可投入最大毛坯直徑為440mm，單方向可旋長度160mm，雙向為320mm；主軸轉(zhuǎn)速120～800/min，尾座與主軸相同；三個軸向旋輪最大行程400mm，軸向下行力150KN，上行120KN，工作速度可達2m/min；徑向最大行程200mm，徑向力200KN，工作速度可達1m/min。

根據(jù)上述分析，增厚只需一個帶槽旋輪，考慮工藝連續(xù)性，決定在一臺旋壓機中連續(xù)完成增厚及花鍵成形?；ㄦI成形需要三個互為120°的旋輪同時工作。同時考慮前述CAE中沒有考慮的旋輪壽命，而帶槽旋輪在工作時槽底受力必然最大，因此希望在增厚時另增加坯料兩端的支撐以減輕帶槽旋輪的壓力。

確定方案：第二滾輪起兩個作用，一是配合第一第三滾輪起到材料增厚后的強力旋壓成形零件及花鍵；二即在花鍵成形工作面下開槽，起到增厚旋輪作用。其對面的第四旋輪座增加上下兩隨動旋輪，兩旋輪間間隙可調(diào)，并給予一定幅度的浮動，起到為增厚旋輪分力并扶正坯料作用，零件增厚后實物如圖3。

圖3 零件增厚后實物圖Fig.3 parts thickening after the physical map

使用參數(shù)為：

零件轉(zhuǎn)速 S=400RPM；

旋輪進給量 F=350mm/min；

傳動方式 旋輪隨工件轉(zhuǎn)動。

3、零件性能檢測

3.1 試驗要求

輸出太陽輪輪轂本級需要進行高速旋轉(zhuǎn)試驗，試驗規(guī)范要求零件在18000RPM下測量其變形量。

ZUST1型多功能轉(zhuǎn)子超速旋轉(zhuǎn)試驗臺用于各類高速旋轉(zhuǎn)試驗件的超轉(zhuǎn)測試、破裂試驗、預(yù)應(yīng)力處理、應(yīng)變測量、包容試驗等。試驗臺最高轉(zhuǎn)速：96000 rpm，最大試件重量300 kg，最大試件直徑Φ1100 mm。

輸出太陽輪輪轂的高速旋轉(zhuǎn)試驗是在上述試驗設(shè)備上，從8000RPM加速至18000RPM。 過程中需要每1分鐘提升500RPM并停下設(shè)備用游標(biāo)卡尺測量零件外圓直徑的變化量。

3.2 總成零件

輸出太陽輪輪轂在交付下游后會在中孔焊接一太陽齒輪并進行一定機加工。該總成零件還需滿足靜扭和疲勞條件。

根據(jù)下游和最終客戶的反饋，總成零件都順利通過了疲勞耐久、靜扭以及變速箱臺架試驗。

因此可以認為該工藝方法加工該零件是完全可行的。

4、結(jié)語

通過開發(fā)了9速自動變速箱中輸出太陽輪輪轂的旋壓增厚再旋壓花鍵等一系列工藝，開拓了輪轂旋壓的工藝范圍，打破了過去只能通過機加的方式做出這類截面面積差異較大的圓周回轉(zhuǎn)類零件的常規(guī)思路，開辟了一種新的加工方法，使用該方法有效解決了傳統(tǒng)機加方式材料與加工過程浪費大的問題。

該工藝方法目前將正式應(yīng)用于9速輸出太陽輪輪轂零件加工中，但該工藝方法的研究還有許多不足。如提高增厚的比例以更有效的利用材料，如何提高增厚旋輪壽命等。

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Design of spinning thickening process for 9 speed automatic gearbox output solar wheel hub

Sun Xinyi
（Shanghai transportation group Limited by Share Ltd Auto parts manufacturing branch, Shanghai 201206）

With the development of automobile industry, automobile parts and components in the structure change rapidly, greatly improves vehicle performance, reliability, fuel economy, but also to the production of parts enterprises put forward higher requirements for processing. This paper introduces the spinning thickening process a 9 speed automatic transmission in the output of the sun wheel, through this process, can save material greatly, but also opens up a new route for the future processing of similar parts.

9 Speed; AT; Output Sun gear Hub; Flow Forming; Thicker

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-87-04

孫新毅（1961.4-），男，工程師，就職于上海交運集團股份有限公司汽車零部件制造分公司，專業(yè)研究方向：機械設(shè)計制造。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.030