汽车同步器齿环精密锻造模具的改进与应用
任小鸿
(四川化工职业技术学院 机械工程系 ,  四川 泸州 646005)
摘要 :  为提高同步器齿环的质量与生产效率 , 采用现代数控雕刻与电火花加工相结合技术 ,  对其精密锻造模具进行 改进 :  凹模由整体改为镶嵌结构 ,  冲头由分体改为整体 ,  凹模由多个电极改为两个电极电火花
加工 ,  冲头由电火花 加工改为雕刻加工 ,  加工出的产品的质量与生产效率得到提高 ,  为精密锻造技术在同步器齿环制造中的应用提供 可靠的依据 。
关键词 :  同步器齿环 ;  精密锻造 ;  电极 ;  模具
DO I : 101 3969/ j 1 i ssn 1 1000239401 20111 021 020
中图分类号 :  T G 315
文献标识码 :  A  文章编号 : 100023940  ( 2011)  022*******
Improvem ent an d a ppl i cat i on of a u to synchron izer ring prec i sion f orging die
REN X iao 2hong
(Dep a r t m ent of Mechanical  Engineering  ,  S ich uan C ollege of Chemical  Tech n o lo g y ,  L uzho u  646005 ,  China ) Abstract : In o r  d er to imp r o v e t h e qualit y  of  synch ro n izer  ring a n d p r o d uctio n  eff iciency , using t h e mo d er n  co m bined t ech nolo gy of CNC engraving a nd EDM , t he p reci sio n  fo r  ging die wa s imp ro v ed.  The die st r uct ure wa s cha n g ed  f ro m  t he integrated t y p e into in serted o ne.  The p unch wa s changed f ro m sp lit ti ng t yp e into int egrat ed
t yp e .  A  nu mb er of EDM elect ro des were use d in st ead of t wo elect ro des.  The p unch wa s man u f act ured by t he engraving p ro cess instead  of EDM .  The p r oce s sed p r o d uct qualit y  and p r o d uctio n  eff iciency were imp r o v ed.  Thi s  p r o v ides t h e relia b le ref e rence fo r  t h e p r eci s io n  fo r  g ing t ech n o lo g y app licatio n  in ma n u f a ct u ring t h e synch ro n izer ring. K ey w ords : synchro n izer ring ; p r eci s io n  fo r  g ing ; elect r o d e ; mo ld
跨棒距的变动量为 01 10 mm ,  齿形与 3 个键槽的位 置度为 01 15 mm ,  3 个键槽内均有一击台 ,  与 3 个 壁 形 成 一 沟 槽  ( 小 油 槽 ,  槽 宽 仅  01 5  mm ,  深 1 mm ) ,  内锥 孔油 槽与 键槽 位 置度 要求 01 15  mm 。 传统的机械加工是采用专用刀具加工齿形 ,  且所需 刀具与夹具较多 ,  生产效率低 ,  技术要求高 ,  产品 质量难以保证 ,  针对 同 步器 齿环 零 件的 技术 要 求 , 采用精锻成形 ,  对其模具进行技术改进 。
汽车同步器齿环具有换档变速轻便 、缓冲 、降 噪 、节油等特点 ,  是汽车变速器中的重要零件 。我 国汽车工业发展迅速 ,  对同步器齿环的要求越来越 高 ,  其结构变得复杂 。各企业相继对同步器齿环的 制造工艺进行了改进 ,  由原来的机械加工改为精密 锻造 。但产品结构日趋复杂 ,  模具设计与制造难度 增加 ,  给生产带来了一定的困难 ,  产品的精度不易 保证 。本文应用现代数控雕刻技术与电火花加工相 结合 ,  对同步器齿环精密锻造模具设计与制造进行 改进 ,  改进 后 的锻 件质 量高 ,  生 产效 率提 高 2 倍 、 成本降低 15 % 。
1 产品工艺分析
图 1 为某微型汽车用同步器齿环示意图 ,  材料 为铜合金 ,  要求齿形 、键槽 、内锥孔油槽一次精锻 成形 ,  各外圆表面粗糙度值为 R  a 01 16 μm ,  精锻后 只进行齿形外圆 、两端面及内锥孔机械加工 ,  齿形
收稿日期 :  2011201212 ;  修订日期 :  2011202215
锻 压 技 术 第 36 卷
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21 2 模具零件设计
设计模具型腔尺寸时 ,  不仅要考虑产品材料和 模具的热膨胀影响 ,  而且还应考虑在冲击力作用下 的模具弹性变形 ,  以及变形抗力等诸多因素的影响 。
此同步器齿环形状复杂 ,  带有 3 个凹槽 、渐开线齿 形及内锥孔上的油槽 。零件形状的不完全规则 , 会 引起冷收缩时变化的不一致 ,  有的会在冷却过程中 出现 “翘曲”现象 。在设计凹模型腔尺寸时 ,  还应 考虑所使用的锻压机械类型和规格 、锻压方式及同 步器齿环的形状和尺寸 。
(1)  在凹模设计中 ,  首先采用整体式 ,  整体式 具有结构简单 、安装方便等特点 。经过一定时间的 使用发现 :  这种结构模具材料浪费较大 、维修困难 、 变形 大 后 报 废 率 高 ,  正 常 情 况 下 ,  模 具 寿 命 仅 为 10000 件左右 。
如图 3 所示 ,  改进 后的 模 具分 为 模 芯 与 模 套 , 模芯与模套通过锥度过盈配合 ,  键槽定位 。模芯与 模套材料不一致 ,  其特点是 :  材料成本低 ,  受三向 压应力 ,  受力抵消较大部分 ,  模具的受力状况较好 , 2 模具设计
精密锻造工 艺 与 传 统 机 械 加 工 工 艺 相 比 , 具 有生产率高 、成 本 低 、产 品 质 量 好 、产 品 变
形 大 等特点 ,  要满足 以 上 特 点 ,  其 模 具 必 须 满 足 下 列 要求 :
(1) (2) 结构简单 ,  成本低 ;
锻模的使用寿命要求高 ,  其中冲头 、凹模
和顶件器等 ,  要求有较长使用寿命 ;
(3)  模具的工作部分必须牢固地安装在模架上 , 且模架的定位准确 ;
(4) (5) (6) 坯料的放入和锻件的取出容易 , 模具的装配与维修方便 ; 模具零件的加工工艺性好 。
方便操作 ; 为使模具达到以上要求 ,  在设计模具之前 , 必 须对锻模的结构 、型腔各部分尺寸 、材料选用与热 处理等逐一进行分析并慎重决定 。
21 1    模具结构设计
模具总装简图如图 2 所示 ,  分为上下两个部分 , 冲头 4 和上模套 5 ,  凹模 10 与下模套 12 都通过上 下压板 、螺栓及销钉固定在模座上 ,  为保证锻件内 锥孔与齿形外圆的同轴度 ,  保证模具零件装配方便 , 保证产品的尺寸 精 度 ,  其 导向 方式 采 用导 柱导 套 , 为避免在加工过程中 ,  出现导柱导向偏向 ,  设计
了 一个击凹件保证导向准确 。加工时 ,  冲头往下运动 , 锻制受热产品 ,  锻件成形后 ,  其脱模由摩擦压力机 下顶出机构推动顶杆 ,  而将锻件顶出 ,  完成一件产 品的加工 。
寿命明显提高 , 原来的 1/ 3 。
平均为 30000 件 ,  模具制造成本为 图 3    凹模
Fig 1 3    Die
(2)  在冲 头 设计 中 ,  先 采用 螺 纹联 接的 方 式 。 螺纹经 常 损坏 ,  报废 率高 ,  在端 面 与后 小外 圆 处 , 由于直角处热变形产生的应力较大 ,  在产品加工过 程中易脱落 ,  寿命低 ,  仅仅只加工 5000 件产品时就
报废 。
图 4 为改进后的冲头整体结构 ,  与外模套通过 键定位 。由于冲头成为一整体 ,  各部分尺寸中应力 点减小 ,  其受力状况较好 ,  冲头的寿命提高 ,  可加
工出产品 40000 件 ,  产品的质量也得到保证 。
21 3    材料选用及其热处理
精密锻造 ,  由于模具受着极高摩擦阻力和温度 变化 ,  工作条件十分恶劣 。模具材料的选择相当重 要 ,  所用的材料要求具有耐磨 、有一定的硬度和强 度 、热硬性好  (热硬性是在高温下保持其硬度的能 力) 、加工性能好的特点 ,  在试验过程中 ,  先后采用
11 上击件  21 上模座  31 上垫板  41 冲头  51 上模套  61 导套 71 产品  81 上压板  91 下压板  101 凹模  111 导 柱  121 下模套
131 衬板  141 下垫板  151 模芯  161 下模座  171 顶件器
181 下顶杆  191 下凹件
图 2    模具总装 Fig 1 2    D ie a ssembl y
第2 期任小鸿:  汽车同步器齿环精密锻造模具的改进与应用89
图4 Fig1 4 冲头
Punch
图5    综合电极
Fig1 5    Co mpo sit e elect ro de
应用。但由于模具材料价格偏高且不易加工,  其加
工方法主要是依靠电火花加工。在电火花加工中,
所用电极的加工方法及精度正在不断提高,  已达到
2 pt m以下的精度。通过对比, 选用精密电火花机床,
模具制造质量较高(图3 、图4) 。
31 1    冲头制造
在冲头的制造过程中,  改进前采用电极加工,
但电极的制造比较困难,  原因是电极需要车加工及
数控加工,  车加工的锥度与数控铣加工中锥度难以
保证一致,  造成产品报废率高,  且电极内孔上的槽
较小,  刀具损伤大,  部分槽无法加工。一般采取的
方法为先通过宽槽电极加工出冲头,  后期对冲头加
工难度增加,  淬火后的冲头硬度高,  通过模具钳工
的技术加工出符合图纸要求的冲头,  周期长(一周)
且无法保证。
改进后,  通过三维CA D/ CA M 软件直接对冲头
进行设计编程,  最终采用高精度数控雕铣机加工筋,
其工艺路线为:  下料—锻造—粗加工—热处理—数
控精加工—抛光及后处理,  保证了冲头的质量,  制
造周期短(一天) ,  降低了冲头的制造成本。
31 2    凹模制造
在凹模制造中,  对其电极改进后,  所需的工具
较少,  定位精度高,  下模制造主要工艺路线为:  下
料—锻造—粗加工—热处理—电火花精加工—抛光
及后处理。在装配过程中,  必须保证图纸要求,  避
免冲头中的筋与下模中的击台相接触,  造成模具报
废,  在电火花加工中,  采用两个电极,  先用综合电
极加工出齿形各部分,  再用油槽电极加工出符合图
示要求的形状,  效果与6 个电极加工的情况相比,
质量明显提高,  如图6 所示,  模具寿命高,  完全符
合图纸要求,  且模具原寿命为5000 件,  现模具寿命
达30000 件。
5 Cr M n Mo 、H13 、65N b等材料进行试验。试验结果表明5Cr M nMo 热硬性效果不好,  在一定温度时会产生变形和变软现象,  H13 各方面性能较好, 65N b性能最好。但通过综合分析,  65N b价格最高,  加工性能比3 Cr2 W8V 差,  且此模具加工的产品是铜合金,  最终采用H13 作为模具材料,  通过试制并投入批量生产后,  产品使用效果好。热处理硬度为50～55 H RC , 此硬度能保证较高的模具使用寿命。
21 4    电极设计
模具的凹模,  形状复杂,  尺寸小且精度要求极高,  刀具无法进入部分位置,  因此选择电极加工。试制初期,  通过查相关资料,  将电极设计为6 个，其作用分别为:  加工齿形,  加工齿根、加工底部、加工商标、加工小径、加工油槽。每个电极结构简单、加工容易保证需要。但由于电极数量过多,  在用电火花机床加工凹模时都需要正,  累积误差大, 且各部分尺寸难以保证(深度方向) , 特别是三键槽的油槽处,  由于是两个电极分别构成的,  无法在深度上保证加工的一致性,  造成其形状无法满足图纸要求,  造成客
户要求退货。另外,  电极数量多,  铜材的价格高,  制造成本高。
经过分析对比,  改为2 个电极,  其中之一为综合电极,  如图5 所示,  将其齿形、键槽及各台阶面综合为一体,  能保证各部尺寸的基准统一,  减少由多次正带来的累积误差,  从而保证产品的质量; 另一电极在端面上靠近外圆处有3 个小平台,  用于加工油槽,  通过三维CA D/ CA M软件,  设计出综合
电极图与油槽电极图并编出程序,  加工时, 部分尺寸小,  特别是在3 个键槽内的沟槽，中要完全保证其精准度需要用较小的刀具，由于各在加工通过比
较,  选择了数控雕铣机床加工,  其效果显著。
4 结语
生产实践证明,  同步器齿环的精密锻造模具改3 模具制造
随着刀具技术的发展,  切削加工也得到了逐步
进后, 能快速、高效地制造出产品, 产品的的表面
第 36 卷 第 2 期 Vo l 1 36    No 1 2
2011 年 4 月
Ap r  . 2011
FORGIN G  & S TAMPIN G TECHNOLO GY
长寿命热锻模的磨损分析与寿命预测
吴延昭 ,  王华君 ,  王华昌 ,  孙育竹
(武汉理工大学 材料科学与工程学院 ,  湖北 武汉 430070)
摘要 :  连续锻压生产中 ,  热锻模承受热负荷与机械负荷 ,  将导致热锻模因磨损 、断裂 、塑性变形 、机械疲劳等形式 失效 ,  其中磨损失效所占比例最大 。基于功能梯度材料和表面熔覆相结合的强化技术试
制了长寿命热锻模试样 ,  分 析对比了均质热锻模和长寿命热锻模的磨损分布 ,  并对两种热锻模使用寿命进行预测 。研究结果表明 ,  采用基于功 能梯度材料和表面熔覆相结合的长寿命热锻模新技术 ,  可以有效提高热锻模的使用寿命 。 关键词 :  长寿命热锻模 ;  均质热锻模 ;  磨损
DO I : 101 3969/ j 1 i ssn 1 1000239401 20111 021 021
中图分类号 :  T G 3151 2 文献标识码 :  A  文章编号 : 100023940  ( 2011)  022*******
Wear analysis an d service l i f e  p redict i on f or l ong l i f e  hot f orging die
W U Yan 2zha o ,  WANG H ua 2jun ,  WANG H ua 2chang ,  S UN Yu 2zhu
( S choo l of Mat e rial s  S cience a n d Engineering ,  Wuha n  U n iver s it y  of  Tech nolo g y ,  Wuha n  430070 ,  China ) Abstract : During t h e fo r  g ing p r o d uctio n  p r oce s s , t h e t h er m al lo ad and t h e mecha n ical lo ad t h at t h e ho t  fo r  g ing die bea r  can lead to f ail ure li ke wea r , f ract ure , p la stic fo r mi ng and mecha n ical f atigue and  The wear i s t he mo st co m m o n  f a il 2 ure .  Lo ng lif e ho t fo r ging die samp le s were p rep a red ba sed o n t he Functio nall y G radient Mat erial s t ech n o lo gy and  su r 2 f ace cladding p roce ss , t he wea r  di st ri butio n wa s co mp ared and analyzed  bet ween t he  ho mo geneo us a nd lo n g  li f  e  ho t  fo r ging die , a nd t he service lif
e of t he se t wo die s wa s p redict ed.  The main re sult s sho w t hat t he co mbinatio n  of  Func 2 tio nally  G radient  Mat erial s a nd surf ace cla ddin g in lo ng lif e ho t fo r  ging die ca n p ro lo ng t h e ser vice lif e of t he dies e ff e c 2 tively.
汽车同步器
K ey w ords : lo n g lif e  ho t  fo r  g ing die ; ho m o g eneo u s ho t  fo r  g i n g die ; wea r
过 70 %[ 122 ]  。现有的均质热锻模具钢均难以满足 热 锻模模膛表面及近表面层的使用性能要求 。 针对热
锻模的使用寿命问题 ,  国内外的专家和 学者做了大量工作 。多夫拉尔 C A [ 3 ] 开发了双金属 热锻模 ,  使得热锻模的使用寿命提高 3 倍 。与常规 锻模相比 ,  杨兵[ 4 ] 制造的双金属复合锻模使用寿命 提高 2～3 倍 。Pelz C [ 5 ] 研究了用铸造方法制作双金 属热锻模具 ,  该方法降低了热作模具钢材料的费用 。 在研究双金属热锻模的基础上 ,  本文提出了长寿命 热锻成形是金属在高温 、高压环境下进行的锻 造 。锻压生产过程中因坯料变形与热锻模具产生激
烈的摩擦 ,  导致模具因磨损而失效 。有关文献指出 在高温锻造生产中模具寿命因磨损而失效的情况超
收稿日期 :  2010209207 ;  修订日期 :  2010211222
基金项目 :  国家自然科学基金资助项目  ( 50675165 ) ;  材料成形 与模具技术国家重点实验室开放基金 
( 0625) 作者简介 :  吴延昭  ( 1982 - ) ,  男 ,  硕士研究生 :  w uya n zhaoli shi qi @1261 co m
应用具有较高的价值 。
参考文献 :
[ 1 ] 叶伯康.  精锻同步器齿环模具的设计与计算  [ J ] .  汽 齿科 技 ,  1995 ,  ( 2) : 9211 .
江雄心.  直齿圆柱齿轮精锻工艺  [ J ] .  锻压技术 ,  2002 ,  27
( 5) :  124 .
王孟等.  H13 钢汽车热锻模具失效机理分析  [ J ] .  锻 压技 术 ,  2008 ,  33  ( 4)  : 83285 .
陈晓伟 ,  池成忠 ,  白庆平.  圆柱直齿轮精锻成形毛坯体积的 工程计算  [J ] .  锻压技术 , 2010 ,  35  ( 5) : 28231 .
[ 2 ]
图 6    实际产品
Fig 1 6    Act ual p ro duct
[ 3 ] 质量好 ,  尺寸精度高 ,  完全符合图纸要求及其使用
[ 4 ]