该文分析新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形工艺模拟环境设置与参数选取，开展新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形工艺参数优化正交试验，对新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形工艺参数优化结果进行验证，以解决新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形过程中可能出现的管壁开裂、金属流线紊乱等问题。仿真模拟结果表明，优化工艺下的工件无宏观成形缺陷，折叠数与螺旋流线深度均降至0；物理试制试验结果表明，试样的金属流线连续致密，扭转疲劳寿命较常规工艺得到显著延长。

空心齿轮轴凭借中空、轻量化、抗弯刚度高等优势，成为新能源汽车变速器的核心传动零件。相较于传统切削加工工艺，旋锻成形工艺通过多锤头径向同步锻打实现管材坯料的塑性成形，可使金属纤维沿轴体轮廓连续分布，大幅提升轴体的抗扭强度与疲劳性能，是新能源汽车变速器空心齿轮的主流加工方式。工程实践表明，新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形属于多参数耦合的复杂塑性变形过程，工艺参数匹配不当易引发内壁塌陷、外壁开裂、金属流线折叠、晶粒粗大等缺陷。本文对新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形工艺优化进行探讨，以提升空心齿轮轴加工精度，保障新能源汽车变速器稳定运行。 

1 新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形工艺模拟环境设置与参数选取

新能源汽车变速器空心齿轮轴作为中空轴类结构，主要由旋锻成形工艺加工而成：通过多锤头径向同步锻打，使材料壁厚均匀，内外圆同轴度一致，从而有效减少后续车削余量，节约管材原料；在成形过程中，金属纤维连续沿轮廓分布，可提升轴体强度、抗扭疲劳性能，契合空心齿轮轴传动受力工况。为进一步优化新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形工艺参数，需在UG软件中构建空心齿轮轴的三维模型。该软件同步集成实体、曲面建模功能，可快速完成空心齿轮轴中空结构和模具型腔模型的精准构建，并且参数化建模方法便于修改坯料壁厚、模具锻打轮廓，降低试模成本。

新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形工艺模拟环境设置主要包括3个方面。第一，空心齿轮轴的原材料选用20MnCr5，并使用H13模具钢制造模具。第二，为降低金属屈服强度与锻打所需载荷，避免空心齿轮轴管壁出现开裂或塌陷，需要在实施旋锻成形工艺前加热坯料，将模具温度设置为200℃。第三，由于空心齿轮轴旋锻成形过程中坯料与模具、环境之间存在热交换，因此要将坯料与模具之间的热交换方式设为“面—面”接触，接触热导率取12000W/（m2·k）；坯料与环境之间的热交换条件设定为空气冷却，环境温度20℃。

工艺参数直接决定新能源汽车变速器空心齿轮轴的旋锻成形效果，进而影响其性能。本文共选取5项对坯料旋锻成形效果影响较大的工艺参数。 

第一，坯料初始温度（因素A）。当坯料初始温度过低时，钢材的塑性较差，抗变形能力大幅提升，易使空心齿轮轴坯料在径向锻打和轴向进给过程中出现变形不均等缺陷；坯料初始温度过高则会造成钢材晶粒异常粗大，锻件强度和疲劳性能大幅下降。 

第二，相对送进量（因素B）。相对送进量直接决定空心齿轮轴轴向成形效率与变形均匀程度。为方便测量，本文将轴向速度转换成相对送进量L（单位为“mm”），二者的转换关系：

式（1）中，v为坯料的轴向送进速度，单位为“mm/min”；N为锤头的锻打频率，单位为“次/min”。

第三，坯料转速（因素C）。坯料转速是指坯料每分钟的转动圈数，决定空心齿轮轴旋锻成形过程的周向变形均匀性，是保障工件圆柱度和同轴度的关键参数。合理的坯料转速可使锤头沿周向均匀锻打坯料，确保空心齿轮轴整体变形一致，同时形成连续规整的金属流线，提升工件结构稳定性。 

第四，锤头压下量（因素D）。锤头压下量是指单次锻打过程中锤头的径向进给量。同时，锤头压下量如果过小，易导致坯料径向变形量不足，空心齿轮轴壁厚减薄效果较差；锤头压下量若过大，可能会使得单次锻打冲击力过大，空心齿轮轴管壁易出现内壁塌陷、外壁开裂的问题。

第五，锤头径向速度（因素E）。合理的锤头径向速度可平衡工件变形效率与成形质量，使金属快速完成均匀塑性变形，获得致密均匀的金相组织，提升空心齿轮轴的抗扭强度与抗疲劳性能。

2 新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形工艺参数优化正交试验

因本文涉及坯料初始温度、相对送进量等5项关键工艺参数，如果各参数均取4个水平，则试验组合数量庞大、试验成本高，并且仿真周期较长。对此，通过开展正交试验，不仅能均衡选取代表性参数组合，以少量仿真工况反映各参数的单独作用与交互影响，兼顾试验效率与分析精度，还能直观判别各参数对成形质量指标的主次作用，快速完成多目标参数寻优，适配空心齿轮轴旋锻成形仿真模拟的参数分析需求。基于此，设计了L16(54)正交试验方案，如表1所示。

在表1中，M为折叠数，H为螺旋流线深度。由于正交试验以成形质量为评价目标，所以螺旋流线深度用于反映纤维连续性、构件抗扭强度与疲劳性能，折叠缺陷则会直接引发应力集中、裂纹及失效。二者是衡量不同工艺参数下锻件结构质量的核心指标，将其纳入正交试验观测项，能定量对比各参数对锻件内部组织缺陷、金属流线形态的影响规律，完成多目标参数优化。

表1 正交试验设计方案

以螺旋流线深度为例，正交试验结果如表2所示。表2中各因素的主次排序为B﹥A=D=E﹥C。从整体上来看，因素A和因素D对折叠数、螺旋流线深度的影响趋势一致，A4和D1为最优水平。在因素B中，B1和B2对折叠数的影响差异不大。但是对于螺旋流线深度而言，B1为最优水平，经综合考虑选取B1为最优水平因素。同理，C4和E1为最优水平因素。最终确定空心齿轮轴旋锻成形工艺的最优参数组合方案为A4B1C4D1E1，即坯料初始温度800℃、相对送进量0.05mm、坯料转速80r/min、锤头压下量2mm、锤头径向速度8mm/s。

表2 各因素对螺旋流线深度的影响（取平均值）

3 新能源汽车变速器空心齿轮轴旋锻成形工艺参数优化结果验证

将确定的最优参数输入基于UG软件建立的空心齿轮轴有限元模型中，并进行旋锻成形过程数值模拟，根据模拟结果判断优化效果。结果显示，成形后空心齿轮轴无外壁开裂、内壁塌陷等宏观缺陷，整体折叠数M=0、螺旋流线深度H=0，成形缺陷完全消除；轴体有效应变分布均匀，最大应变集中在轴身受力区域，无局部应力集中现象；周向壁厚偏差控制在±0.03mm，内外圆同轴度误差仅0.02mm，尺寸精度得到显著提升；金属纤维沿轴体轮廓连续致密分布，无断裂、紊乱问题，契合空心齿轮轴抗扭疲劳的受力需求。相较于正交试验平均水平，优化方案下的空心齿轮轴旋锻成形应力波动明显降低，变形均匀性得到大幅改善，验证了A4B1C4D1E1参数组合在成形质量与尺寸控制方面的优越性。 

3.2.1 试验方法

为验证仿真模拟结果的工程有效性，本研究依托数控旋锻设备开展物理试制试验。具体而言，采用GFMSKK-10精锻机，设置锤头锻打频率1200次/min；选用27MnCr5作为空心齿轮轴的坯料。同时，严格按照最优工艺参数组合设定坯料初始温度、锻打频率等参数，每组参数制备5根试样开展同步测试。完成旋锻形成加工后，检测锻件的外观尺寸和显微硬度，观察其显微形貌。 

3.2.2 锻件外观 

试验结果表明，经旋锻成形后的空心齿轮轴整体表面光滑平整，外壁无纵向裂纹、凹坑、麻点等缺陷，内壁无塌陷、褶皱、局部增厚或减薄现象。对比常规工艺试件可知，对照组存在局部微小螺旋纹路与壁厚不均问题，而优化工艺下的工件尺寸一致性得到显著提升，无须额外实施补加工，可直接进入热处理工序。

3.2.3 显微形貌与硬度

利用金相显微镜观测试样轴向与径向截面显微形貌，优化工艺下的试样金属流线沿管壁连续致密排布，无断裂、折叠、紊乱等缺陷，周向分布均匀性显著优于常规工艺试样。在试验过程中使用HVS-1000数显显微维氏硬度计，对试制的空心齿轮轴样件硬度进行测试，设置载荷0.98N、加载时间10s，并且为了消除测试误差，分别在样件上随机选取6个测点。空心齿轮轴样件不同测点的显微硬度如图1所示。 

图1 空心齿轮轴样件不同测点的显微硬度

由图1可知，测点1、2为轴体锻打受力核心区域，塑性变形程度大，加工硬化效应显著，显微硬度偏高；沿轴向向测点5过渡，变形量逐步降低，显微硬度持续下降；测点6变形程度略有回升，显微硬度小幅上涨。同时，全测点的显微硬度整体波动幅度小，无骤升骤降现象，表明优化工艺下轴体的塑性变形均匀，截面力学性能一致性良好。

4 结束语

本文以新能源汽车变速器空心齿轮轴为研究对象，开展旋锻成形工艺参数仿真模拟与物理试制试验验证，得出3点结论。第一，通过利用UG软件构建旋锻有限元仿真模型，明确了坯料初始温度、坯料转速、相对送进量、锤头压下量、锤头径向速度5项关键参数的作用机理。第二，基于正交试验与极差分析，完成折叠数、螺旋流线深度双指标优化，确定最优工艺参数组合。第三，仿真模拟结果表明，优化工艺下空心齿轮轴无宏观与微观成形缺陷，尺寸精度与变形均匀性得到大幅提升；物理试制试验验证了仿真结果的有效性，优化工艺可获得连续致密的金属流线与细化晶粒组织，显著提升构件的抗扭疲劳性能。