熱模鍛壓力機上模鍛齒輪軸

■山西利民工業(yè)有限公司 楊繼璋，今淑平，李建棟

熱模鍛壓力機上模鍛齒輪軸

■山西利民工業(yè)有限公司 楊繼璋，今淑平，李建棟

通過對齒輪軸的結(jié)構(gòu)分析，制定出了該件成形時的工藝流程，介紹了模鍛工藝及其工步型腔設(shè)計。

圖1為正在研制生產(chǎn)的一種齒輪軸毛坯，材質(zhì)8620H鋼，鍛件凈重9kg，下料重9.4kg，該件是某一汽車變速器中的重要件，其技術(shù)規(guī)范要求等溫正火后機加成形使用，還要進行表面滲碳淬火，其結(jié)構(gòu)特點為軸線較長，截面突變較大。毛坯屬于S3級鍛件，坯料變形程度大，經(jīng)過對該件進行分析，制定了一套從制坯到成形，在31.5MN熱模鍛壓力機上鍛造的工藝方案，經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，該工藝方案能夠滿足生產(chǎn)及圖樣要求，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1. 工藝分析

由于齒輪軸鍛件軸線較長，截面突變較大，如果是采用水平鍛造，必須要進行復(fù)雜的制坯和預(yù)鍛后，方可在熱模鍛壓力機上進行鍛造，而且水平鍛造時，由于中間薄壁高筋的法蘭部分在成形時，主要是以壓入方式成形，在成形方式上沒有鐓粗方式好成形，必須要產(chǎn)生較大的飛邊才能確保鍛件成形。

經(jīng)計算，采用水平鍛造時，飛邊重量就應(yīng)為0.9kg。而熱模鍛壓力機上模鍛是靠靜壓力使金屬變形的，且是在一次行程中完成金屬的變形，因此熱模鍛壓力機上模鍛的一般規(guī)律是：金屬材料在水平方向即徑向流動劇烈，而高度方向的流動相對緩慢，也就是說，水平方向優(yōu)于高度垂直方向的成形。如果將此件改為沿軸線垂直方向鍛造，中間的法蘭部分將以鐓粗方式成形，只需要簡單的頂鐓制坯后即可完成，操作工序簡單，且采用垂直頂鐓成形時要節(jié)約原材料，經(jīng)計算，飛邊重量只要0.4kg，每件可節(jié)約原材料0.5kg。但是，因在熱模鍛壓力機行程較小且行程固定不可調(diào)整，垂直頂鐓成形時，若坯料長度超越壓力機上死點時的模具最大開口尺寸時，材料就難以喂入模具。因此，在工藝編制和模具設(shè)計時首先要注意的就是法蘭部分的變形程度與坯料長度的相互關(guān)系。

圖1

下半部分的桿部長162.8mm部分，模鍛斜度2°，鍛件桿部小端直徑61mm，變形較小，這部分可以用φ60m m的棒料直接成形。上半部分長50.2mm部分，尺寸較小，深度較深，在鍛造過程中，必然會以壓入的方式充滿型腔，因此，鍛造時應(yīng)考慮先預(yù)成形后，再終鍛的工藝方法，這樣才能避免其出現(xiàn)充不滿的現(xiàn)象。中間法蘭部分φ141mm×30mm，體積為V=468 200mm3，重量G=3.7kg。如果用φ60mm棒料鍛造，這部分所需的坯料長度為167mm，其高徑比ψ=167/60=2.78；當(dāng)采用頂鐓的方式鐓粗成形時，其高徑比最大不能超過2.5，當(dāng)高徑比大于2.5時，應(yīng)進行頂鐓聚料制坯后才能進行頂鐓成形，否則在鍛造過程中，將會導(dǎo)致材料的失穩(wěn)，而形成鍛件的折疊等致命的缺陷。

經(jīng)以上分析，確定工藝為：加熱→鐓粗聚料→終鍛→切邊。

2. 模鍛工步及型腔設(shè)計

預(yù)鍛件圖樣的設(shè)計，首先應(yīng)保證在終鍛時主要以鐓粗方式充滿型腔，在終鍛時，不產(chǎn)生金屬回流而形成折疊；其次，還考慮到坯料在型腔中的準(zhǔn)確定位，使坯料鍛造過程中不產(chǎn)生錯動，因為熱模鍛壓力機有下頂料機構(gòu)，能實現(xiàn)小斜度或無斜度模鍛。因此，在預(yù)鍛件的下端設(shè)計為圓柱形，以便于坯料在預(yù)鍛型腔中的定位。

根據(jù)計算，鍛件重量為9k g，當(dāng)沿軸向鐓粗成形時，毛坯下料重量為9.4kg，如果用φ60mm棒料鍛造，其坯料尺寸為φ60mm×425mm。

鍛件成形主要取決于中間法蘭部分的成形，中間法蘭部分φ141mm×30mm，所需坯料長度為φ60mm×167mm，高徑比ψ=2.78，L=2.78d。根據(jù)頂鐓變形規(guī)則，當(dāng)ψ≤2.5時，不需要進行頂鐓制坯，可以用原坯料直接成形。當(dāng)ψ≤3.9時，需要進行一次錐形頂鐓聚料，頂鐓錐形型腔的各型腔尺寸的計算如下

這部分型腔應(yīng)設(shè)計為如圖2所示結(jié)構(gòu)，因下端部分應(yīng)與鍛件一致，下端口部尺寸為φ70.2mm。

在工藝編制與模具設(shè)計中，不僅要考慮到各工步的定位準(zhǔn)確性，而且要考慮到坯料放入模具中的可操作性，加熱好的坯料應(yīng)能順利地放入模具，沒有任何阻礙。由于鍛件所需的坯料尺寸為φ60mm×425mm，模架中模塊的封閉高度為490mm，現(xiàn)有的31.5MN熱模鍛壓力機的滑塊行程為360mm，顯然，坯料長度大于壓力機行程。若用通常的模具封閉式的設(shè)計方法，坯料就根本喂不進鍛模中，必須對模具結(jié)構(gòu)進行尺寸調(diào)整，增大在上死點時，模具的開口尺寸，以便于使坯料能順利放入模具。通過作圖法得知，在上模去除38.5mm后，利用下模中心型腔空間，可以將坯料順利置入型腔，如圖3所示。由于鍛件上端φ55mm×50.2mm處型腔尺寸小于坯料直徑，在頂鐓時為壓入成形，因此，預(yù)鍛件圖樣的設(shè)計中，可調(diào)整為如圖4所示結(jié)構(gòu)，這樣既能滿足坯料能喂入模具和頂鐓聚料，又能確保終鍛的成形。

鍛模的每道工步應(yīng)確保下一道工步的定位準(zhǔn)確，每一道工步中已成形部分，在下道工步中不變形或少變形。

在終鍛型腔的熱鍛件圖中，熱鍛件圖的設(shè)計，型腔尺寸在冷鍛件圖樣的基礎(chǔ)上加1.5%收縮量。考慮到頂鐓聚料后，在終鍛型中的坯料定位，終鍛型中的底端直柄部分，尺寸應(yīng)稍大于頂鐓聚料型腔。

圖2

圖3

圖4

3. 模鍛結(jié)構(gòu)設(shè)計

在預(yù)鍛和終鍛時，由于型腔較深，鍛件成形后，必須利用熱模鍛壓力機的頂出機構(gòu)，將鍛件從模具型腔中頂出。由于鍛件采取垂直方向的頂鐓成形，在變形過程中，模具所承受的力主要集中在下端，即型腔最底部，在鍛造和冷卻時，在模具根部存在反復(fù)交變應(yīng)力，極易造成此模具根部損壞，產(chǎn)生嚴(yán)重的裂紋，為此，把鍛模設(shè)計成組合式結(jié)構(gòu)，將模具從型腔的底部分開，為確保模具精度和便于安裝，上下兩部分采用止口導(dǎo)向。在鍛件成形后溫度極高，硬度較低，如果采用局部小的接觸面積進行頂料，在較大退料力的作用下，頂桿會直接壓入造成鍛件報廢。所以，采用接觸面積較大的臺階形退料器，一是可以增大頂料時的鍛件受力面積，二是臺階形的結(jié)構(gòu)能增大終鍛成形時的模具受力面積，三是便于型腔中的氧化皮等雜物的清理。因此，設(shè)計了圖5的模具結(jié)構(gòu)。

為確保鍛件的成形，在終鍛模飛邊槽設(shè)計中，增加了阻尼溝，以增大水平方向阻力，如圖6所示，以便于能夠更好地充滿型腔。

4. 模鍛操作工步

（1）頂鐓聚料 將加熱好的坯料放入頂鐓型腔中，以外徑定位，進行頂鐓聚。

（2）終鍛 將頂鐓聚料后的坯料，移至終鍛模中進行終鍛。

在頂鐓聚料制坯和終鍛時，應(yīng)對模具及時進行冷卻和潤滑，以確保模具的使用壽命，但由于預(yù)、終鍛模中存在下頂料機構(gòu)，冷卻用石墨乳化液不能過多地噴入模具型腔，否則，多余的石墨多將模具下頂桿墊起，從而造成鍛件的端面的壓傷或長度不夠而報廢。由于型腔較深，深孔中的氧化皮不易清除，在氧化皮清理時，應(yīng)制作一較長的吹管，將吹管伸入到型腔底部，用高壓空氣將其吹出。

5. 使用效果

頂鐓聚料制坯時，上端部分會有局部充不滿現(xiàn)象，此狀況不會影響終鍛成形。另外，由于退料時下頂出力極大，在分體下模的連接中，應(yīng)選擇使用12.9級的高強度螺釘，否則，會造成螺釘?shù)臄嗔讯鴩?yán)重影響生產(chǎn)。

經(jīng)過批量生產(chǎn)使用，該模具結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡單實用，達(dá)到了預(yù)期目的，鍛件各部分成形較好，金屬流線完整，殘留毛邊小，整體均勻，經(jīng)力學(xué)性能檢測和加工使用，能夠完全滿足產(chǎn)品的各項技術(shù)要求，產(chǎn)品研制生產(chǎn)取得了成功。

圖5

圖6

［1］宋黎明.鍛模設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：中國鐵道出版社，1999 .

［2］張志文.鍛造工藝學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［3］中國機械工業(yè)學(xué)會鍛壓學(xué)會.鍛造手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［4］楊繼璋. 轎車左右橫臂的錘上模鍛工藝［J］. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004，(2)：68-69.

［5］余承輝，楊繼璋. 單拐曲軸的錘上模鍛［J］. 熱加工工藝，2010，(11)：115-117.

［6］楊繼璋，申泰宏.轎車左右橫臂的錘上模鍛工藝［J］.模具制造，2009，(12)：54-55.

20150708