间隔衬套是汽车变速箱的主要零件之一，在汽车运行过程中承受较高的齿轮高速摩擦力和轴向应力，间隔衬套作为汽车变速器主要零部件需求很大，生产工艺有铸造、锻造和粉末冶金等，相比于其他生产工艺，精密锻造成形工艺生产的间隔衬套以力学性能优、体积小等优点，占据着间隔衬套总产量的70%左右，因此锻造成形是间隔衬套的主要成形工艺。延长锻造模具寿命、提高材料利用率、实现自动化生产是提高锻造间隔衬套市场竞争力的关键问题所在。锻造过程数值模拟分析技术可以对包括零件加热、锻造、切边以及校正等精密锻造全过程进行有限元分析，是提高汽车零件精密锻造效率的重要手段。本文以某型号间隔衬套为分析对象，采用数值模拟分析方法对间隔衬套成形以及切边全锻造过程开展分析，为车用零件精密锻造成形工艺优化探索出一种实用的设计方法。
一、工艺方案及模具设计确定
某新型汽车变速器间隔衬套高25mm，外直径为φ65mm、内圆直径为φ39.8mm，材料为45#钢。根据间隔衬套零件特点设计间隔衬套锻件如图1(a)所示。分模面设置在零件最大轮廓处，单面机械加工余量2mm，外斜度用2°、内斜度用3°；圆角半径R为3mm、外圆角半径r为1.5mm；间隔衬套的连皮类型为斜底连皮，厚度为4mm，内腔最大深度为42mm。根据上部分模特点，未设计飞边槽结构，锻造模具设计如图1(b)所示。
二、有限元模型建立及参数设置
间隔衬套锻造成形以及冲孔过程模拟用有限元模型如图2所示。为节约计算时间，锻造及冲孔均采用1/4对称模型，冲孔采用NormalizedCockcroft&Latham断裂准则，模拟用主要参数见表1.
三、锻造过程模拟及分析
间隔衬套锻造成形过程分析采用棒状毛坯的间隔衬套锻件成形过程，如图3所示。锻造过程开始阶段，毛坯主要发生自由镦粗变形；当零件侧壁型腔填充满后，金属向下流动将下模底部填满；下模型腔基本充满后，金属材料随着上模向下移动而进行反向挤压流动，与上模底部接触后横向流动直到型腔全部填充，多余金属形成飞边。间隔衬套锻件成形过程载荷-行程曲线，如图4所示，充满型腔阶段成形载荷大幅提高，形成飞边后成形载荷直线上升。
1.间隔衬套毛坯尺寸优化。不同尺寸毛坯成形等效应变分布，如图5所示。φ50mm×20mm、φ52mm×20mm毛坯不能充满型腔；φ52mm×25mm毛坯可以完全充满型腔但产生大量飞边；φ50mm×25mm、φ52mm×22mm、φ52mm×23mm均能完全充满型腔，成形过程中未发现缺陷并且也产生了适量的飞边。综合下料情况、飞边大小及材料利用率，最终认为φ52mm×23mm为间隔衬套锻件毛坯最佳尺寸。
2.间隔衬套冲孔过程分析。间隔衬套冲孔过程不同阶段等效应力，如图6所示。图6(a)为锻造成形后间隔衬套锻件截面图；冲孔过程开始阶段，冲孔连皮与冲头接触区域开始发生塑性变形图6(b)，随后整个冲孔连皮发生较大塑性变形图6(c)；随着冲头快速下移冲孔连皮开始与锻件分离图6(d)，变形主要发生冲孔连皮与冲头接触区图6(e)。图6(f)为冲孔后的间隔衬套，零件内表面断裂带明显，锻件整体未发生较大变形。
四、工艺方案验证
采用优化后毛坯尺寸进行汽车变速箱间隔衬套锻件生产，锻造过程与模拟结果一致，如图7所示，零件表面质量检测以及后续无损探伤均未发现缺陷，验证了汽车变速箱间隔衬套锻造全过程有限元模拟的可靠性。
五、结论
⑴根据零件特点设计了间隔衬套精密锻造模具，通过数值模拟分析将间隔衬套锻造过程分为自由镦粗、侧壁型腔填充满、下模底部填满、反向挤压、全部填充、形成飞边六个阶段。⑵采用有限元分析方法对毛坯尺寸进行了优化，得到了最优的汽车变速箱间隔衬套锻件毛坯尺寸φ52mm×23mm。⑶对间隔衬套冲孔过程进行了数值模拟分析，得到的冲孔效果与实际锻造一致，验证了锻造全流程模拟的可靠性。
作者:邵长伟 龙小忠 涂雯鑫 门正兴 单位:泸州长江机械有限公司 成都航空职业技术学院机电工程学院
