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文／周建虎 · 同濟大學機械與能源工程學院，浙江吉利動力總成研究院

      卜王輝 · 同濟大學機械與能源工程學院

隨著人民生活水平的提高和汽車產(chǎn)業(yè)科技的進步，汽車消費主體已悄然發(fā)生變化，由90 年代初的公務車消費為主，轉變?yōu)槠胀彝サ乃郊臆嚍橹鳌！靶詢r比”成為了各大汽車廠家競爭的法寶之一。

本文以某公司的1.8T 發(fā)動機曲軸鏈輪為研究對象，通過結構分析和成本分析，最終開發(fā)出一套以冷鍛工藝為主的低成本曲軸鏈輪工藝，替代原型機的插齒工藝，實現(xiàn)技術達標和成本降低20%的目標。

曲軸鏈輪結構和成本分析

曲軸鏈輪結構分析

某公司的1.8T 渦輪增壓發(fā)動機是借鑒德國EAXXX 原型機進行逆向開發(fā)的，該曲軸鏈輪如圖1所示，屬于一端凸臺，另外一端三排圓柱齒的異形結構。由于齒面不貫穿，無法采用滾齒法加工。結合圖紙要求表面硬度最小為57HRC，而傳統(tǒng)的粉末冶金曲軸鏈輪硬度只能達到30～45HRC，無法采用粉末冶金工藝。綜合零件的結構和硬度要求，推斷德國原型機的曲軸鏈輪采用插齒工藝生產(chǎn)。

圖1 曲軸鏈輪

曲軸鏈輪成本分析

根據(jù)上述的曲軸鏈輪結構分析，原型機曲軸鏈輪采用插齒工藝生產(chǎn)，梳理德國原型機的曲軸鏈輪初始生產(chǎn)工藝如圖2 所示。

圖2 初始生產(chǎn)工藝

再根據(jù)制造業(yè)的生產(chǎn)成本經(jīng)驗值，對原型機曲軸鏈輪的成本進行分析，如表1 所示，成本中占比前三的項目分別是插齒、材料費用、管理費和利潤。

曲軸鏈輪降本目標分解

從表1 可以看出德國原型機曲軸鏈輪的成本價格為25.7 元，而該1.8T 項目的成本目標是較原型機降低20%，即20.56 元。表1 中成本排名前三項分別是插齒、材料、管理費和利潤，合計占比達61.56%，其中管理費和利潤這個項目一般是產(chǎn)品單價的12%，且隨著產(chǎn)品單價的降低而降低，所以降本重點是降材料和插齒費用。由此我們想到引入冷鍛工藝，根據(jù)金屬材料的塑性變形原理，在金屬再結晶溫度下，利用模具壓制成形齒面，省去齒面加工工序，同時可以節(jié)約材料。

表1 曲軸鏈輪成本構成

根據(jù)成本降低20%后的目標價格20.56 元，結合冷鍛工藝的實際經(jīng)驗成本，降本目標分解如下：

⑴材料費：冷擠壓所用材料為插齒工藝所用材料的65%，冷擠壓材料費用為7.35×65%=4.77元。

⑵管理費和利潤：按照產(chǎn)品單價的12%，所以目標為20.56×12%=2.46 元。

⑶插齒降低費用：由于引入冷鍛成形齒面，插齒費為0，但增加了模具壓機分攤費用、材料前處理費用。基于其他工序費用不變的前提，為滿足20.56元的目標價格，齒面加工費用需要控制到20.56-2.46-4.77-9.48=3.85 元。

建立冷鍛工藝曲軸鏈輪的初始成本目標結構如表2 所示。

表2 冷鍛工藝曲軸鏈輪的初始成本目標結構

冷擠壓工藝分析

冷擠壓工藝方案選型

冷擠壓是冷鍛工藝的一種，本文的研究對象曲軸鏈輪擬采用冷擠壓工藝開發(fā)。冷擠壓可以根據(jù)金屬流動方向與凸模運動方向之間的相互關系進行分類，主要有4 種：正擠壓、反擠壓、徑向擠壓、復合擠壓，其中正向擠壓和徑向擠壓都可以實現(xiàn)齒輪齒面的擠壓成形，結合本項目低成本開發(fā)，選定模具費用低的正擠壓。

再結合該曲軸鏈輪的齒參表(表3)，確定齒頂圓和齒根圓公差帶0.2mm，齒形輪廓見圖3，齒面功能區(qū)域A-B，C-D 精度要求高，輪廓度0.034mm，而齒頂齒根非功能區(qū)域精度要求低，輪廓度為0.125mm。根據(jù)功能區(qū)的齒形輪廓0.034mm，查漸開線圓柱齒輪的齒形偏差表，屬于8 級精度齒輪，精度較低，所以鎖定采用一次正擠壓成形方案。

表3 曲軸鏈輪的齒參表

圖3 齒形輪廓圖

冷擠壓工藝設計

冷擠壓工藝的設計主要包括以下四個方面：擠壓件設計、毛坯尺寸、成形工序設計、成形工藝方案制定。

⑴擠壓件圖設計。

根據(jù)圖4 曲軸鏈輪零件圖，可知該鏈輪的齒面有效高度為33mm，凸臺的高度為4.8mm，兩個端面各增加1mm 的切削余量，設計出的冷擠壓件圖見圖5。

圖4 曲軸鏈輪零件圖

圖5 冷擠壓件圖

⑵毛坯尺寸。

1)毛坯體積：根據(jù)擠壓前后體積相等原理，即V毛坯=V擠壓件，由冷擠壓件圖的3D數(shù)模計算出V擠壓件=57911.564mm3，所以V毛坯=57911.564mm3。

2)毛坯尺寸：查成品的齒頂圓外徑要求Φ44.1mm（公差：-0.2～0mm），基于低成本開發(fā)，省材料，毛坯外徑取下限Φ44.05mm（公差：-0.2～0mm），毛坯面積F0=1523.989mm2，毛坯高度H=V毛坯/F0=38mm，考慮到下料采用鋸床，所以毛坯高度確定為38mm（公差：-0.1～+0.1mm），毛坯尺寸見圖6。

圖6 毛坯圖

3)變形量：根據(jù)毛坯外徑，計算出毛坯面積F0=1523.989mm2，由擠壓件3D 數(shù)模算出齒形截面積F1=1270.165mm2，則該鏈輪的擠壓變形量為εF=(F0-F1)/F0×100%=16.66%。

4)擠壓力：P=C×p×F，式中C 是安全余量，在1.2～1.3 之間；p 是材料的單位擠壓力；F 為凸模投影面積。安全余量取1.2，則P=1426.5kN。

⑶工藝設計。

1)成形工序：上面我們選定了正擠壓一次成形方案，通過DeForm 軟件模擬冷擠壓過程，見圖7，從圖中可得出最大擠壓力1032.036kN，小于1426.5kN，滿足擠壓力要求。而且材料齒形填充良好，滿足圖紙齒形輪廓要求。

圖7 DeForm 擠壓過程

2)輔助工序：考慮到齒形需要一次成形，后續(xù)不再機加工，所以需要增加五道輔助工序，分別是球化退火、拋丸、磨外圓、車倒角、磷皂化。

⑷工藝方案。

1)材料：該零件的材料為20CrMo。

2)設備：根據(jù)前面計算的擠壓力1426.5kN，算下安全余量，選擇200t 的液壓壓機。

3)工藝流程：該零件采用一次正擠壓成形，結合輔助工序，初步確定成形階段的冷擠壓工藝流程如圖8 所示。

圖8 冷擠壓生產(chǎn)流程

生產(chǎn)驗證

曲軸鏈輪加工工藝

前述成形工序只是完成了曲軸鏈輪的齒面輪廓，根據(jù)零件圖，后續(xù)還需要增加適當?shù)募庸ず蜔崽幚砉に嚕拍芊蠄D紙要求。規(guī)劃的后續(xù)加工工藝如圖9所示。

圖9 曲軸鏈輪加工工藝

曲軸鏈輪試生產(chǎn)驗證

按照上述的冷擠壓工藝和加工工藝組織試生產(chǎn)，并對成品進行檢測，重點檢測齒形輪廓，用三坐標機掃描全齒，進行齒面功能區(qū)輪廓度評價，測量結果如圖10 所示，齒形輪廓度(齒面功能區(qū))實測0.0186mm，滿足公差帶0.034mm 要求；再進行齒頂齒根非功能區(qū)輪廓度評價，測量結果如圖11 所示，齒形輪廓度(齒根齒頂)實測0.04mm，滿足公差帶0.125mm 要求。

圖10 齒面輪廓度

圖11 齒頂齒根輪廓度

成本核算

按照全工序生產(chǎn)完成后，核算單件曲軸鏈輪的成本為20.1 元，低于20.56 元的目標價格，較原價25.7 降低22%，達到降本目標。

結束語

筆者通過對原型曲軸鏈輪結構分析，引入冷擠壓成形齒面，替代了傳統(tǒng)的插齒工藝加工齒面，實現(xiàn)了性能達標，并達到成本降低22%的目標。該方法可適用于異形非貫穿曲軸鏈輪的開發(fā)。

作者簡介

周建虎

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供應商質量經(jīng)理，機械工程師，質量工程師。

主要從事吉利汽車發(fā)動機和變速器機械傳動類零部件的供應商開發(fā)和管理工作，精通發(fā)動機曲軸、凸輪軸、平衡軸和變速器軸齒、同步器、差速器等零部件工藝，主導了吉利首臺大扭矩黑匣子差速器總成(450Nm)國產(chǎn)化零部件供應商開發(fā)，參與了吉利首款7DCT 變速器和首款混合動力變速器7DCTH的軸齒零部件開發(fā)。

——來源：《鍛造與沖壓》2021年第7期