车辆自动变速器齿形离合器毂的合理制造工艺探讨

赵升吨，孟德安，董 鹏

（西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049）

随着国内汽车数量的增加，交通拥堵变得越来越严重，复杂的交通环境使得手动挡车型驾驶体验变差，自动挡需求逐年提升，截至2017年8月，中国汽车市场自动变速器渗透率已经超过50%，预计2020年有望突破75%，自动变速器市场规模将超过600亿元[1]。而自动变速器中为了节约空间和降低重量均使用齿形离合器毂件传递动力（以液力自动变速器和双离合自动变速器为主），其形状复杂，尺寸精密，是变速箱制造中最为困难的零件之一[2]。

图1 汽车自动变速器中齿形离合器毂

早期离合器毂主要通过铸造、切削等传统机械加工方式成形，材料利用率低，加工时间长，整体制造成本高。随着汽车向轻量化、高强度和低成本化方向发展，近年来国外各大汽车公司纷纷尝试以金属板材体积成形方式制造离合器毂件[3]，以提高材料利用率，缩短生产时间，降低生产成本。但由于该零件外形复杂，成形道次多，模具设计困难，具有较高加工难度，生产技术仅仅掌握在少数几个国外公司手中。随着国内汽车自动变速器使用量的持续增长，齿形离合器毂件需求量将会大大增加，离合器毂件的加工技术也会成为未来汽车行业研究的热点问题。

1 齿形离合器毂工作原理

齿形离合器毂是一种特殊薄壁齿形毂形零件，主要用于汽车自动变速器内部动力的传输，在液力自动变速器（AT）和双离合自动变速器（DSG）均有使用。从图1可以看出，齿形离合器毂为开口筒形件，筒壁为等节距齿形结构，齿形筒壁上往往分布有距筒底高度不等单形状和尺寸相同的腰圆孔，用于润滑油液的流通。齿形离合器毂在AT中使用最多，图2为6AT自动变速箱原理图，从图中可以看出该自动变速器一共有5组离合器，下面以C2离合器为例简单介绍自动变速器离合器毂的工作原理。C2离合器共有6片离合器片，其中3片为内齿片，与离合器毂相联，另外3片为外齿片，与另一齿形内毂相联，内齿片与外齿片中间有摩擦片，当内齿片和外齿片在外力作用下压紧时，发动机动力就通过C2离合器传递给下一部件，同样当内齿片与外齿片分离时，动力切断，可以看出离合器毂是自动变速器中重要的动力传输部件[1]。

图2 离合器毂工作原理

2 齿形离合器毂成形过程

齿形离合器毂早期主要通过铸造然后机加工的形式成形，先设计铸造模具，通过铸造工艺获得零件大致形状，然后再将毛坯进行切削加工，获得最终零件，该成形工艺材料利用率低，生产时间长，成本较高。近几年伺服冲压技术和板材体积成形技术得到了迅速发展[4]，尤其在外形复杂的高强度薄壁零件，根据齿形离合器毂的特点，其成形过程主要分为4部分，如图3所示。第一步为下料，先根据最终零件尺寸确定坯料大小，一般为圆形坯料，下料工艺主要通过冲压或者激光切割，这道工序较为简单，是板材加工中最常用的工艺。第二步为拉深，拉深工艺要根据拉深比的大小确定是否需要压边，压边力的大小可以通过计算机模拟或者经验公式获得[5]，合适的压边力是确保拉深质量的重要因素。第三步为齿形成形，该工序为齿形离合器毂成形的关键工艺，合适的齿形成形工艺能提高零件的精度，提高强度，降低后续整形过程。目前常用的齿形成形工艺有滚轧、旋压、冲压等，后面将对目前多种齿形成形工艺进行详细介绍。第四步为冲孔，在齿形上分布有腰圆形通孔，一般通过专用冲孔设备进行加工，也可以通过激光切割进行冲孔。从图3中可以看出，齿形离合器毂加工工艺较多，尤其是齿形成形，往往需要设计专用模具和专用设备，制造成本较高，因此选取合适的加工工艺进行齿形成形是保证高质量、低成本离合器毂件的关键。

图3 齿形离合器毂成形过程

3 离合器毂齿形成形工艺介绍

离合器毂齿形成形一直是板材体积成形领域的热点问题，从上个世纪国外一些公司和科研单位开始从事齿形离合器毂生产研发工作，其中最具代表性的是瑞士的GROB、德国的LuK和GETRAG、美国的BorgWarner，GROB提供齿形离合器毂生产的全套生产线，包括筒形拉深、齿形成形和冲孔等各种装备[6]，国内设备大部分来自该公司。而LuK、GETRAG和BorgWarner主要涉及变速器各部件的制造和动力总成，并均在国内设有制造中心。其他诸如台湾仓佑实业，上海交运集团等，只负责零部件的生产销售，并不具备设备自主研发能力。

在离合器毂齿形成形新工艺的研发上，日本、德国、韩国、台湾等地方的学者做了大量的研究工作。日本的K Mori教授提出了一种通过电流加热成形高强钢板齿形件的新工艺[7]；韩国Byung Min Kim教授开发了一套滚挤成形模具，并通过有限元和试验分析了该工艺的可行性[8,9]；台湾的杨俊彬教授系统分析了齿形离合器毂各个成形阶段工艺的选择[10]。国内从2010年之后开始陆续有学者研究该零件的成形工艺，其中华中科技大学[11]和吉林大学[12,13]对DSG离合器毂的冲压成形工艺进行了系统研究，另外还有上海交通大学[14,15]、中国兵器工业集团[16]、上海理工大学[17]等单位也在尝试探索该零件的冲压以及旋压制造工艺。总之，国外对该零件的研发制造已经大大超前国内，国内对该零件成形工艺的研究才刚刚起步。下面我们将对现有离合器毂齿形成形工艺进行简要介绍。

3.1 滚打成形工艺

离合器毂齿形滚打成形[6]原理如图4所示，圆筒形坯料套在凸模上，一对与凸模齿廓相同的滚轮对称安装在坯料两侧，坯料中心轴与滚轮中心轴相互对称，滚轮绕器中心轴高速旋转对工件滚打，滚打处的金属发生塑形变形，每滚打一次，凸模轴向进给一定距离并绕自身轴线旋转一个齿的角度。滚打成形工艺是一种无屑加工技术，表面质量高，加工时产生的径向压应力能提高工件的疲劳强度和扭转刚度，适合加工贯通齿。但该工艺需要专用滚打成形设备，滚轮制造困难且通用性差。

图4 滚打成形工艺原理

3.2 滚挤成形工艺

齿形离合器毂滚挤成形[8]原理如图5所示，一组与凸模齿廓相同的滚轮沿坯料圆周方向均布，滚挤成形过程中，圆筒形坯料套在凸模上并跟随凸模不断轴向推进，在滚轮的作用下，坯料接触区域的金属材料发生塑性变形，相邻滚轮对材料产生挤压作用使得圆通外壁出现凸凹不平的齿形，同时由于摩擦作用，滚轮与坯料间发生相对滚动，进而沿坯料轴向逐渐滚挤成形。滚挤成形工艺设备简单，模具使用寿命长，生产效率高，成形花键轴机械性能好。但受模具空间限制，所加工齿形个数较少，而且滚轮的安装调试困难并影响花键轴的成形精度，滚轮安装机构刚度要求高，不适合加工大模数、大齿数、细长类零件。

3.3 径向锻打成形工艺

图6为齿形径向锻打成形[18]原理图，圆筒形坯料嵌套在芯模上，一对与凸模齿廓相同的凹模对称分布，成形过程中，凹模沿着径向锻打坯料，没锻打一次，芯模带着坯料转动一个齿的角度，锻打过程坯料只做轴向转动，轴向与凹模相对静止，该工艺与滚打工艺有些类似，都能在工件表面形成压应力，提高工件的疲劳强度和寿命，与滚打工艺不同的是径向锻打可以成行阶梯形齿形，但不利于成形长度较长的贯通齿。

图5 滚挤成形工艺原理

图6 径向锻打成形工艺原理

3.4 旋压成形工艺

旋压是材料塑形成形中常用的生产工艺，根据变形原理不同可分为普通旋压和强力旋压，普通旋压一般用来成形精度要求不高筒形件，强力旋压可借助旋轮使材料沿着成形模具进行局部辗压变形而变薄拉长，强力旋压可以成形很多具有内部微细结构的高精度薄壁回转零件。图7为齿形离合器毂旋压成形工艺[19]原理，坯料套在芯模上跟随芯模一边转动，一边轴向进给，三个旋轮轴向固定，径向可以调整下压量来控制坯料变形程度，对于减薄率较大的零件一般要进行多次成形以免变形量太大损伤工件和模具。对于齿形离合器毂的制造中，旋压工艺生产效率高，产品可靠度高，但是旋压工艺只能完成对齿形离合器毂内毂件的加工，即外壁光滑，内壁有齿形的零件，而对于传统的外毂件，旋压工艺无能为力。

图7 旋压工艺原理

3.5 冲挤成形工艺

冲压与挤压是材料塑形成形过程应用最多的工艺，冲压一般应用于板材成形，材料厚向变化较小，材料内部组织流动较小，挤压一般应用于体积成形，材料内部组织整体流到较大，齿形离合器毂是具有复杂齿形的薄壁零件，可以采用冲压跟挤压的相结合的办法加工。图8为齿形冲挤成形[15]原理，该工艺最大的特点为省去图3中的拉深过程，将拉深工艺与齿形成形集成到一个工序中，冲挤成形工艺需要两个关键条件，一个是材料拉深比较小，不需要压边，另一个是凹模要设计较长的过渡圆角，否则材料在入模处容易引起褶皱，阻碍材料的流动。冲挤成形工艺具有工艺简单，成形设备造价低等特点，但是由于所有齿形是同时成形，成形力较大，在冲压跟脱模过程容易引起工件表面划伤。

图8 冲挤成形工艺原理

3.6 振动冲压成形工艺

在金属塑形成形工艺过程中，给凹模或坯料叠加一定频率和一定振幅的振动能有效降低成形力和提高表面质量，该工艺称之为振动辅助塑性成形工艺[20]。该工艺同样适应于离合器毂齿形的成形，如图9所示为振动冲压原理，由于目前伺服压力机的大量使用，在单次冲压过程可以使滑块在极短时间内完成往复冲压运动，当该过程足够快时将产生振动效果。在齿形振动冲压过程，凸模固定，坯料套在凸模之上，凹模按照图9a的曲线运动，在凹模每个振动周期内都存在有半个周期凹模与坯料短暂分离，此时润滑油将会重新进入凹模内部，从而改善凹模与坯料之间的润滑条件，同时由于振动的存在，将会促进材料内部位错的运动。由于同时有“体积效应”和“表面效应”的存在，将会极大降低成形力，有利于材料流动，并提高工件表面质量。但是使用伺服压力机产生振动频率有限，要获得更高的振动频率需要设计专用的激振器。

各成形工艺横向对比结果如表1所示，综上所述，离合器毂齿形可以通过多种成形工艺实现。与传统机加工相比，各种加工工艺各有利弊，除了旋压工艺外其他5种工艺均可以成形内外齿，旋压工艺只能成形内齿，通过对比发现振动冲压成形是一种模具简单、成形质量较好、综合成本较低的成形工艺。

图9 振动冲压原理图

表1 各种成形工艺对比

5 结论

（1）离合器毂齿形主要通过局部或整体塑形变形工艺成形，局部塑形变形（滚打、滚挤、径向锻打和旋压）成形力小成形质量高，但是效率相对较低，整体塑形变形成形效率高（冲挤），但是成形力大，容易引起表面损伤。

（2）局部塑形变形（滚打、滚挤、径向锻打和旋压）是目前齿形离合器毂最主要的成形方式，但是设备造价高，技术垄断，国内从事该方面加工制造的企业较少。

（3）将振动与冲压结合是成形离合器毂齿形的新工艺，该工艺成形设备简单，成形效率高，并且克服了传统冲压工艺中表面质量差等缺点。

齿形离合器毂作为自动变速箱内的关键动力部件，在未来需要更高的强度、更低的成本以及更简单高效的成形方法来满足现代汽车轻量化、高强度和低成本化的发展。国外对该零件的研究已经大大超前国内，国内同行还需要在新设备、新工艺的开发投入更多的资金和精力，以此推动中国汽车自动变速器技术的发展。