機車用大型傳動齒輪轂鍛造工藝研究

文/羅天園·中國中車資陽機車有限公司

機車用大型傳動齒輪轂鍛造工藝研究

文/羅天園·中國中車資陽機車有限公司

羅天園，主要從事高溫合金葉片、船用連桿、高壓閥體及機車用等多種類型鍛件鍛造工藝研究，獲得三項國家實用新型專利，及四川機械行業協會優秀論文獎。

本文主要論述了機車傳動齒輪轂的鍛造方法，從鍛件外形設計、工裝設計、工藝參數制定、過程控制等方面，討論如何生產出質量穩定、成本可控的優質鍛件。該鍛件投影面積大、齒輪盤薄且為深孔，在設計時要很好的考慮設備選型、分型面的選定、坯料參數的選擇等。

工藝分析

鍛件結構特點

該鍛件為某出口機車傳動部件，材質為42CrMo4，外形設計對材質的內在質量要求較高。鍛件最大尺寸為730mm、鍛件高度為210mm，三維建模鍛件重280kg，鍛件外形如圖1所示。由圖1可知鍛件厚度落差較大、齒盤厚度薄，因此存在齒盤不能打靠及頂端難充滿的特點。

圖1 鍛件外形圖

鍛件工藝分析

三維建模后鍛件重量在280kg的基礎上增加了15%以內的消耗材料，用于定額確定下料重，結合我公司10t電液模鍛錘可以設計一套聯合鍛造工藝，因此擬定工藝流程為：下料→加熱→鐓粗→模鍛→切邊→正火→拋丸→探傷→打磨→檢查。

工裝模具設計

鍛件分模設計

依據鍛件最大投影面積及利于鍛件出模的原則，分模線可選擇在齒盤的中部或齒盤的一端。經過論證認為將分模線設置在齒盤的一端不利于鍛件的切邊，切邊后會形成大量的毛刺或引起鍛件翹曲變形，最終決定將分模線設計在齒盤中部。中間孔連皮則盡量設計在孔的中部，可保證孔兩端具有良好的充填性。

鍛模設計

鐓粗過程在10t電液錘上實現，鐓粗模采用現有平板模。模鍛在16t電液錘上進行，為了節省模塊成本及提高鍛模的導向性能，進行了單型腔鍛模及圓形鎖扣設計，可在合理的范圍內有效縮小模塊尺寸，同時提高了鍛模的導向精度。為了利于鍛件充型良好，將鍛件距離齒盤遠的一端設計在上模，距齒盤近的一端設計在下模。將難充滿部位利用反擠原理實現填充效果。為了鍛件能夠打靠，從而使多余的金屬盡量流向倉部，進而加深了倉部深度，避免因飛邊太多冷卻過快影響鍛模打靠，圖2是設計的鍛模圖。

圖2 鍛模俯視圖及局部剖面

切邊模設計

鍛件切邊模采用切邊沖孔復合模設計，鍛件先切邊后沖孔，結構如圖3所示。首先將帶飛邊的鍛件放置在切邊下模上，啟動壓力機，滑塊帶動切邊上模下行直至與鍛件接觸實現切邊，滑塊繼續下行，切邊上模推動鍛件下行與沖頭接觸并實現沖孔，滑塊及切邊上模到達下死點后回程，滑塊帶動固定在其上的拉桿向上運動。拉桿帶動托件盤及鍛件從下模出來。從而實現切邊沖孔兩個過程，該過程操作方便、高效。

圖3 切邊沖孔復合模

生產試制

工藝參數確定

根據工藝分析之初設定的下料重為鍛件重加15%材料消耗，擬定3種規格進行試制，下料重分別為310kg、315kg、320kg。由于坯料是在10t錘平板模上鐓粗，鐓粗勢必要考慮坯料不得發生歪斜，因此選擇坯料規格為φ330mm，鐓粗后坯料直徑在550mm左右，保證過多坯料不被打到倉部，同時保證金屬不至于過小而回流。鐓粗后高度保持在（180±10）mm，比較利于齒輪上下面的充型。

試生產

設備、工裝、工具全部準備就位后進行試生產，加熱爐設定溫度為1150℃，坯料溫度保透后進行鍛造。坯料在10t電液錘上進行鐓粗，先在坯料上下端撒濕鋸末。當鍛錘與坯料接觸后燃燒的鋸末在間隙內產生的高溫氣體將表面氧化皮去除，而坯料原表面的氧化皮則由自然變形去除。將鐓粗高度為（180±10）mm的坯料（圖4）用操作機夾持到16t錘上后進行鍛造，輕擊定位后重擊鍛造成形，直至鍛件各部位完全充滿型腔。鍛造完成后的鍛件用操作機平整擺放入切邊沖孔復合模中，進行切邊沖孔。最后檢查鍛件表面質量及充滿情況，同時檢查鍛件錯移及厚度尺寸，符合要求后便可批量生產。

圖4 鐓粗坯料尺寸

生產中發現的問題

經過試制驗證三種下料規格的原材料，皆能實現齒輪轂的鍛造成形。但310kg的坯料飛邊偏小，一旦發生設備故障等意外因素有可能導致充型不滿。320kg的材料雖然充型效果較好但不利于降本增效，為了保持工藝的穩定性及成本可控，因此摒棄了上述兩種規格，而選取315kg的坯料。

試制中有一個問題較為突出，經劃線檢查鍛件存在一定的錯移，部分鍛件錯移較大。雖不至于難以加工見光，但存在這方面的風險，在后面的生產中需要重點關注。

檢查鍛件厚度尺寸，普遍存在超厚現象，這在設計之初是預料到的，而且會出現個別鍛件厚度不均的現象。但考慮到是全加工件，超厚現象是可以接受的。若一味追求名義尺寸，在生產時再進行多錘次鍛造也難以實現且對工裝壽命有不利影響。

結論

通過該齒輪轂工藝分析、設計及生產全過程的監控，對于發生上述問題的主要原因如下：

⑴鍛件錯移是由于在打擊過程中由于沖擊，錘頭有晃動導致錯移。同時觀察飛邊發現與鐓粗料未能擺到終鍛模膛正中有一定關系，坯料不均造成錘頭發生扭轉，在擊打過程中累積成錯移。

⑵鍛件厚度未能打靠，一是由于設備打擊力略小，由于齒輪盤較薄在擊打到后期時，齒輪盤冷卻速度快，無論如何打擊金屬也難以流出，致使大量金屬留在模膛，鍛件難以打靠。二是要控制好生產節拍，生產過程中不要有附加的時間耽誤，鐓粗之后快速將坯料轉移至終鍛模膛，避免溫度的流失。

⑶綜上所述，通過對該類鍛件的全過程分析及研究為該類鍛件的生產積累了寶貴的經驗，為今后類似產品的生產奠定了堅實的基礎。