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GF-6换档机构输出/输入轮毂的工艺开发 |
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作者：上海交运汽车动力系统有限公司 刘昌华 来源：AI汽车制造业 |
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作为上海通用(SGM)的零部件供应商，上海交运汽车动力系统有限公司参与了通用汽车公司开发的具有世界先进水平的GF-6型液力自动变速器（AT）的同步研发工作， 完成了其中关键零部件GF-6换档机构的开发及其工艺开发，并按SGM要求的时间节点圆满实现了生产配套。
GF-6换档机构中，输出轮毂和输入轮毂（见图1）是两个关键零件，其工艺开发具有先进性和可借鉴性，因此，本文即重点介绍输出轮毂和输入轮毂的工艺开发及其关键工艺——花键调频轴向冷成形工艺。
图1 输出轮毂（左）和输入轮毂（右
关键零件的工艺设计
GF-6换档机构输出轮毂和输入轮毂的形状如图1所示，输出轮毂的材料是SAE4130（近似GB 30铬钼），输入轮毂的材料是SAE5120（近似GB 20铬），经过分析，其工艺设计如下：
输出轮毂的工艺流程：锻造→正火→粗车→精车→小端花键调频轴向冷成形→滚大端花键→去毛刺→清洗、渗碳、淬火、回火→涡流探伤→硬车→磨槽→硬车→磨外圆→抛光外圆→清洗。
输入轮毂的工艺流程：锻造→正火→粗车→精车→冲端面孔→去毛刺→小端花键调频轴向冷成形→滚大端花键→冲21个腰形孔→去毛刺→清洗、渗碳淬火、回火→涡流探伤→磨外圆、磨外底端面→硬车→抛光外圆→清洗。
以上可以看出，两个零件工艺特征相似，因此一起考虑，关键工艺设计如下：
1. 锻造、正火
控制工件的金相组织和硬度，以便于切削加工和花键调频轴向冷成形。
图2 搓齿法产生的齿形
2. 花键调频轴向冷成形
通用汽车公司在北美对零件结构设计时考虑的工艺方案是搓齿冷成形，但在实际加工过程中，虽然已尽可能地使工件材料同时流动，但还是会在零件齿形的顶部形成兔耳状的齿形（见图2），兔耳状部分的齿形偏差在公差要求范围之外，而德国FELSS公司开发的花键调频轴向冷成形工艺则无此缺陷，齿形非常好（见图3）。
图3 调频轴向成形法产生的齿形
3. 大花键加工
大花键加工可用拉削或滚切加工的方法。与滚切相比，拉削机床投资大，刀具成本高，总体运行成本高，但效率高，只需一台机床就能完成产能目标。进口滚齿机则需两台，国产滚齿机则需要15台。经过综合比较，我们最终选用了格里森公司的高速滚齿机，经过验收考核，达到了加工要求，一期建设只用一台就达到30万产能的要求，60万大纲产能时用两台机床加工两个产品，无需更换工装刀具，也大大简化了管理。目前，我们的高速滚齿用刀具也已实现国产化。
4. 渗碳、淬火
为提高综合工艺能力和GF6产品质量，我们新投资了热处理车间及相关设备。除了硬件，我们还开发了整套渗碳、淬火工艺，编制了检验规程，这些都得到了北美通用动力总成公司的认可。
5. 硬车
硬车是最近几年发展起来的技术，可替代内外圆磨削。内圆磨削效率很低，需要大量的机床才能满足60万台（套）的生产需求，而硬车只需8台机床就能满足需求。大连英代克斯、埃马克（太仓）和哈挺（上海）等公司的产品均能满足生产要求，其中埃马克的VL3和VL5是全自动的，可一人多机生产，性能稳定，但机床价格较贵。总体上讲，硬车的生产成本大大降低，一片立方氮化硼刀头可完成500多个零件的加工。
通过对关键零件关键工艺的可行性分析和工艺验证以及样件制造，我们最终确定了所有零件的工艺方案，GF-6换档机构产品现已实现稳定的批量生产。
目前我们生产的GF-6换档机构已经伴随GF-6型液力自动变速器（AT）搭载于SGM的“新君威”上市了。
花键调频轴向冷成形工艺
以上工艺方案中，我们引入了花键调频轴向冷成形工艺，加工效果很好，值得推广。
花键调频轴向冷成形（见图4）由德国FELSS公司开发，是用加固了的硬质合金模具沿着轴向推或拉过零件坯料外缘，前进速度(一般是恒速) 分解为脉动式，整个成形过程前进2步、后退1步，直至满足花键尺寸要求，调频轴向冷成形在高频及高成形速度下进行，在平均成形速度30mm/s及18 Hz下，最终合成进给速度为15mm/s， 每一成形步进长度约为0.8mm。对于薄壁管零件，可采用外模和内芯轴同步移动的方式(见图4b)，用夹头夹紧工件，使其与模具移动轴对中。此工艺还可附加采用轴向支架及尾部顶针，根据需要选择夹紧方式。
图4 调频轴向冷成形示意图
花键调频轴向冷成形法除了齿形好的优点之外，还具有成形应力均匀、轴向力低（约为普通冷挤压的40%，具体比较见图5）、改善摩擦、降低径向力、模具的径向扩张小、改善工件公差(径节线/锥度) 等特点，也使得轮毂后序渗碳淬火的变形量可控制在很小的范围内。
图5 轴向力比较
花键调频轴向冷成形法还具有加工节拍短的特点。轮毂花键加工不到6s，自动上下料时间6s，一个循环总计用时12s。一台机床按250天/年、三班制20.4h生产计算， 年产能可达153万台（套）。通过换模，一台机床可以完成两种轮毂的加工。
另外，调频法轴向成形法还具有一定的工艺优点。内花键成形模具采用硬质合金加耐磨涂层，模具精度容易达到，生产成本显著降低，缩小了工艺所需的空间尺寸，让设计师有更大的设计空间。
需要注意的是，工件毛坯的设计要与调频法轴向成形法工艺相适应，例如：上述的两种轮毂是空心的，成形后，端部内孔会有约0.1mm的收缩，因此，花键端的外圆形状与长度在工艺设计时都需要进行相应调整。
除了花键加工之外，调频轴向冷成形法还能在轮端或齿端直接成形双D形、三角形或花键等任何几何形状，还可以完成薄壁钢管及铝管的端面成形，具有良好功能和特色，工件的同心度及内外直径均可达到高精度要求。调频轴向冷成形法还可以完成高尺寸精度及同心度要求的实心轴外花键或管材内外花键的加工。图6所示为采用调频轴向冷成形加工的转向柱、齿轮轴、等速万向节和活塞杆齿轮轴等样件。
图6 采用调频轴向冷成形工艺加工的零部件
结语
通过对输出轮毂和输入轮毂进行的工艺设计，我们引入了花键调频轴向冷成形工艺，并且在批量生产中获得验证，拓展了花键加工的方法，获得了非常好的加工效果。
汽车零部件生产成本的压力越来越大，从开发初期就必须对制造成本进行详细的分析，既要使用花键调频轴向成形等高技术含量的技术，又要实现降本增效。另外，材料国产化是降低成本的另一途径，我们与上海宝钢一起消化美国钢材标准，确定试验规范，经过试制，成功开发了SAE 5120和SAE4130渗碳钢。通过10个月、6万多套轮毂的生产，证明这套工艺稳定可靠。
GF-6型液力自动变速器
GF-6型液力自动变速器（AT）是北美通用汽车公司自2002年开始研发的，用于替代4T65E及其他型号四档自动变速器，匹配GM的1.6～3.0L发动机，适用于各型轿车，现已成功实现批产并于2008年投放市场。该款AT由韩国大宇和上海通用参与同步开发，其主要由液力变矩器、换档机构、行星齿轮机构、最终传动机构和电子液力控制系统组成，结构复杂、体积小、重量轻且扭矩范围广，具有6个前进档和1个倒档，速比大(4.584～0.746)。在电子液压控制系统的作用下，该款AT依靠液压作用完成各档自动分离和结合，传递动力，联接行星齿轮装置实现速度和扭矩变化，是目前世界范围內开发的最先进的6速液力自动变速器之一。与已经投放市场的4速4T65E变速器相比，其最低传动比小于0.8，大大降低了油耗，同时，其增加的一组行星机构传动组件使变速器受力更趋均匀平衡，极大地改善了噪音问题。(end)
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(4/17/2009) |
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