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汽車自動變速箱變速轂件沖壓模具設計與沖壓製程開發研究

摘要"

齒形變速轂件外形複雜且為一體型,為汽車自動變速箱零件中製造技術難度最高之沖壓件,就其成形製程分析,可分為外殼成形,齒形成形與沖剪成形三個部份,所須之成形技術與模具設計每個部份皆不相同,成形道次多且複雜,成形製程設計不易。本研究以汽車5HP24自動變速箱齒形變速轂件為研究開發載具,來探討其沖壓成形製程與模具設計。首先針對目標載具設計各道次之成形胚料,再以DEFORM成形模擬軟體來探討齒形轂件在多道次外殼引伸與齒形沖壓成形之模具設計,避免成形時發生頸縮或破裂現象發生,最後實際開發模具進行試驗,驗證所設計製程之可行性。
結果顯示,本研究之工程設計依照引伸率與齒形成形設計準則共規劃6個道次,包含下料引伸複合成形(引伸率為60%)、心軸引伸(引伸率為74%),再引伸(引伸率為93%)、整形+沖孔、齒形預成形及齒形主成形,齒部厚度變形率為0.5~0.62。並以DEFORM成形模擬軟體進行模擬,顯示各道次胚料之設計於成形後並無破裂、縮頸現象。依上述結果設計與製作模具,並進行實際深引伸成形與齒形成形作業驗證,完成後之齒形成形件外觀與尺寸符合設計之要求,隨後進行沖孔與剪切作業,最終完成品符合客戶圖紙要求,並成功地導入批量生產,顯示本研究所設計之製程與模具為可行。

關鍵詞:自動變速箱、齒形變速轂件、引伸率、複合成形

前言

汽車自動變速箱是利用液壓帶動,依照車速或引擎負荷更換不同之齒輪比以達到換檔目的之變速系統,亦是將動力從引擎傳遞到車輪的重要組件。汽車自動變速器常見的有四種型式:分別是液力自動變速器(AT)、機械無級自動變速器(CVT)、電控機械自動變速器(AMT)、雙離合器自動變速器(Dual Clutch Transmission-DCT)[1][2]。目前轎車普遍使用的是AT,其是由液力變扭器、行星齒輪和液壓操縱系統組成,通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達到變速。而自動變速箱總成非常複雜如圖1所示。以5HP24自動變速箱為例,其構造包含扭力轉換器、行星齒輪組、離合器與變速齒形轂件等元件,零件種類非常多,如圖2所示,顯示自動變速箱之技術層次是非常高。除設計難度非常高外,在製造上,所牽涉到之金屬製程技術非常廣泛,包含鑄造,鍛造,沖壓,熱處理,銲接,機械加工,檢測與組立。在其所有零件中就屬變速齒形轂狀件之製造難度最高,其形狀複雜,一體型且尺寸精密,為汽車自動變速箱零件中製造技術難度最高之零件,各式變速轂件如圖3所示。早期是該零件是以鑄件與機加工方式製造,材料使用率低,製作時間長,提高整體製程的成本。但隨著沖鍛模具與製程技術的進步與發展,汽車零件輕量化與高強度化之須求,使用厚板以沖鍛技術將轂件成形,降低材料使用率,縮短生產時間,可節省整體生產成本。但由於該類零件外形複雜,所須沖鍛成形道次很多,成形製程技術多樣化,模具設計不易,具有技術上之難度。而隨著汽車市場之持續成長,國內車廠紛紛投入自動變速箱之開發,因此,該類零件之需求大增,為目前國內外從事汽車零件業者擬投入開發之熱門項目 [3]~[9] 。近年來電動車與新能源車也是有需求。

變速轂件之成形製程設計

依上述之變速轂件外觀特徵來分析,其形狀極為複雜,其為一個具有齒形之外殼,端面平整或呈鋸齒狀,中心部有中孔或心軸或凸緣,側壁上有油孔或卡簧槽。分析其成形時所牽涉到之沖鍛技術包括深引伸、心軸引伸、凸緣成形、引縮、齒形成形、沖孔、浮壓成形、整形、鍛壓、齒形輥鍛、沖孔、半沖切、端面沖切、精沖(fine blanking)、刮光(shaving)、剪緣、等等多種金屬成形工程。開發此類產品時,其製程則是將上述所須之單一成形工程加以整合成為一個複合製程,進行開發。一般而言,首先須下料一圓板,再進行多道次引伸將圓板成形為一外殼狀或轂狀,接著再進行齒形成形,隨後進行油孔沖孔、卡簧槽沖剪,端面沖切,中孔或底孔精沖與整形等等[10]。因此,其製程可分為外殼成形,齒形成形與沖剪三大部份。如下示意圖所示。沖壓時,一般先成形外殼,再做齒形成形,最後為沖剪。每個部份都有其專屬技術,成形技術都不相同。
1. 外殼成形技術:主要為深引伸技術(deep drawing),必須依照引伸率之設計準則來設計引伸模具,將圓板材料進行逐步之引伸成形。如初引伸率為0.55~0.6,再引伸率為0.7~0.8。圖4所示為深引伸工程之例子。
2. 齒形成形技術:依照各式變速轂之設計,齒形可分為折疊齒 (folded spline)與內齒(internal spline),而折疊齒又可分為貫通齒與封閉齒,如圖5所示。一般若齒形為貫通折疊齒,可使用輥壓模具配合各式沖壓設備進行齒形成形,如圖6所示[11]。或以GROB公司之齒形輥壓設備成形,如圖7所示[12]。若齒形為封閉折疊齒,則須使用側向成形模具進行成形。若變速轂齒形為內齒,則可使用GROB公司之齒形輥壓設備或flow forming設備將之成形,如圖8,圖9所示[12][13] 。在此一成形技術上,專用設備之價格都非常昂貴,只有開發輥壓模具配合沖壓設備進行成形之模式在設備投資成本上會較便宜,唯模具設計具有難度。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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