大型柴油機(jī)齒輪閉式鍛工藝開發(fā)和應(yīng)用

文/顏建斌·東風(fēng)鍛造有限公司

大型柴油機(jī)一般有5種齒輪，分別是惰輪、凸輪軸齒輪、燃油泵齒輪、空壓機(jī)齒輪和曲軸齒輪。其中空壓機(jī)齒輪和曲軸齒輪直徑比較小，形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，我公司一般都采用HATEBUR實(shí)現(xiàn)閉式鍛。而另外3種齒輪直徑相對(duì)較大，需要沖幅板孔來實(shí)現(xiàn)減重，部分齒輪還要求壓凹字，目前我廠采用的是開式鍛，由于模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝穩(wěn)定性差，造成產(chǎn)品質(zhì)量問題多、生產(chǎn)效率低等問題。特別是11L以上發(fā)動(dòng)機(jī)的惰輪和凸輪軸齒輪直徑達(dá)到了260mm，在我公司需要63MN以上設(shè)備才可生產(chǎn)，而63MN設(shè)備主要生產(chǎn)的是附加值較高的曲軸，經(jīng)常出現(xiàn)由于產(chǎn)能限制，不能及時(shí)滿足客戶齒坯的訂單。因此需盡快通過工藝改進(jìn)來提升質(zhì)量，降低成本。

從鍛造發(fā)展來看，在熱模鍛壓力機(jī)上推廣閉式鍛是很有必要的。采用閉式模鍛有以下優(yōu)點(diǎn)：⑴減少飛邊材料損耗；⑵節(jié)省切邊工序，降低切邊沖孔的復(fù)合度；⑶提高鍛件精度；⑷降低鍛造成形力，可實(shí)現(xiàn)小噸位設(shè)備生產(chǎn)大零件，是生產(chǎn)齒輪鍛件最優(yōu)方法。但在大型復(fù)雜齒輪上應(yīng)用，國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道，它有一定的難度。

柴油機(jī)齒輪閉式鍛工藝特點(diǎn)

柴油機(jī)齒輪幅板寬且薄，為了減重，一般要沖出幅板孔，部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)為了防止干涉，需要壓凹字，圖1所示凸輪軸齒輪幅板厚度要求為8mm，寬度達(dá)到了50mm，鍛造過程中該處金屬流動(dòng)急促，同時(shí)幅板為非加工面，也是機(jī)加工工序的初基準(zhǔn)，對(duì)表面質(zhì)量和尺寸要求都比較高。

若采用鐓粗直接終鍛，模具壽命很難保證，因此在一般閉式鍛基礎(chǔ)上需增加預(yù)鍛。其幅板孔和中間孔可一次沖出，孔沖完后再進(jìn)行壓字。對(duì)于鍛造工序產(chǎn)生的變形，后序中可增加冷校正。最終根據(jù)其工藝特點(diǎn)，確定其工藝流程為：鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→沖孔→壓字→冷校正。

鍛件圖設(shè)計(jì)要領(lǐng)

大型柴油機(jī)齒輪閉式鍛鍛件圖設(shè)計(jì)可以參照一般鍛件圖的設(shè)計(jì)，以下幾個(gè)方面需要在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意：

⑴由于幅板存在加工基準(zhǔn)面與凹字面的問題，從鍛打方向看，幅板上用于后續(xù)加工定位的一面要放置在上方。

⑵為克服充不滿缺陷造成加工留黑皮，將不易充滿位置留在定位面反側(cè)，通過增加加工余量消除充不滿造成的黑皮問題。圖1中A處為不易充滿位置，當(dāng)鍛件處于上偏差時(shí)，其缺陷容易加工掉。

圖1 典型的凸輪軸齒輪

⑶加工余量選擇方面，由于錯(cuò)差小，圓周單邊取1.5mm，厚度方向單邊取2mm，經(jīng)驗(yàn)證是比較合適的。

⑷外圓周面拔模角選擇：相對(duì)于小閉式鍛的0.5°～1°，柴油機(jī)齒輪的拔模角取2°～3°，易出現(xiàn)頂出變形的，拔模角可適當(dāng)取大一點(diǎn)。

另外中間孔沖孔尺寸，若輪轂孔處薄時(shí)，建議不要將中間連皮沖干凈，需要留一定飛邊以減少?zèng)_孔力，防止沖孔變形而加工留黑皮。

成形力計(jì)算及設(shè)備選擇

在齒輪件閉式鍛工藝上，我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)一直傾向于無飛邊鍛造，在設(shè)計(jì)中要求的是鍛件未出毛刺時(shí)，鍛件充滿情況已經(jīng)比較好。從該角度考慮，我們認(rèn)為其成形力的計(jì)算可以參照開式鍛。其計(jì)算方法參照我廠經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：K經(jīng)—根據(jù)成形力經(jīng)驗(yàn)曲線（圖2）查出的數(shù)值；

圖2 成形力經(jīng)驗(yàn)曲線

K1—鋼種系數(shù)（齒輪鋼參照中碳低合金鋼為1.1）；

F—包括飛邊橋部在內(nèi)的鍛件投影面積（cm2），閉式鍛時(shí)就是鍛件本體的投影面積。

以63MN上生產(chǎn)某齒輪為例，直徑約為260mm，對(duì)應(yīng)鍛件的投影面積為530cm2，從圖2中查出K經(jīng)值為60，得出P值計(jì)算結(jié)果：

作為安全系數(shù)選擇問題，在開式鍛中考慮到坯料體積和加熱溫度等變化以及封高調(diào)整問題會(huì)使成形力急劇增加，需要增加15%～20%的安全系數(shù)。由于閉式鍛對(duì)管理提出了更高的要求，可以體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

⑴坯料采用高速帶鋸等精度高設(shè)備下料，坯料體積公差有了更嚴(yán)的要求；

⑵加熱溫度的穩(wěn)定性要求更高，低溫鍛打時(shí)鍛件一般充不滿，也不會(huì)出現(xiàn)毛刺，這樣可以避免設(shè)備載荷的急劇增加。

我們認(rèn)為設(shè)備的安全系數(shù)增加10%是合適的，這樣需要選型的設(shè)備噸位為3850t。

從以上的計(jì)算來看，選擇40MN是合適的。同時(shí)我們對(duì)鍛打過程電流變化的觀測(cè)，閉式鍛生產(chǎn)中沒有顯著增加其電流，說明在40MN上對(duì)設(shè)備載荷是安全的。

下料規(guī)格及重量控制要求

閉式鍛對(duì)于坯料要求比開式鍛更嚴(yán)，一般除對(duì)重量公差有要求外，坯料規(guī)格長(zhǎng)徑比一般也希望在1.5～2.0之間。由于柴油機(jī)齒輪公差相對(duì)較大，根據(jù)我廠實(shí)際情況，坯料要求也可適當(dāng)放寬。

坯料重量控制

按照終鍛上差1.0mm計(jì)算坯料名義重量，公差取坯料重量的±1%。采用鋸床下料，考慮零件重（平均重量在8kg以上），100%稱重勞動(dòng)強(qiáng)度大，而坯料長(zhǎng)度在100mm以上，按長(zhǎng)度公差±1mm控制即可。按此控制方法，綜合斜度公差，折合到重量公差基本在±1%左右，而對(duì)應(yīng)其鍛件厚度散差為0.3～0.4mm。

坯料規(guī)格確認(rèn)

在考慮長(zhǎng)徑比基礎(chǔ)上，大型零件閉式鍛中更多的要考慮鐓粗比問題。鐓粗比越大，由于加熱溫度均勻性問題，鐓粗餅越容易成為橢圓。按照經(jīng)驗(yàn)，鐓粗比最好取7.0以下。

當(dāng)開發(fā)零件直徑在260mm左右時(shí)，對(duì)應(yīng)坯料規(guī)格最好選擇在φ100mm以上，此時(shí)長(zhǎng)徑比可以選上差，這樣可以充分利用加熱不均勻性來調(diào)整鍛件充不滿的位置。

加熱質(zhì)量要求

閉式鍛作為一種提高鍛造精度的鍛造方法，加熱盡量做到少無氧化，一方面減少燒損，另一方面提高了表面質(zhì)量，可設(shè)計(jì)更小的鍛件加工余量。

轎車零件無飛邊鍛造采用保溫感應(yīng)器來保證加熱質(zhì)量，對(duì)大型零件同樣適用。但根據(jù)大型零件的加工要求，采用普通感應(yīng)器同樣可以滿足。對(duì)其長(zhǎng)度方向溫度差異問題，鐓粗后可以將坯料溫度低面朝向易充滿位置，來避免鍛件產(chǎn)生充不滿缺陷。

模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)是閉式鍛成形的關(guān)鍵，相對(duì)于開式鍛模具設(shè)計(jì)，需要解決頂料行程、模具結(jié)構(gòu)以及合適的成形工藝等問題，其中成形工藝設(shè)計(jì)中要能實(shí)現(xiàn)無飛邊鍛造。

模具結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有夾持器和頂料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過局部改造，利用直頂桿取代原丁字頂桿，充分利用原頂料桿的空行程，滿足閉式鍛工藝的頂料需求。由于現(xiàn)有模架封高及結(jié)構(gòu)的限制，模具頂桿的行程需要放置在模架內(nèi)，采用組合式閉式模具結(jié)構(gòu)（圖3）。其結(jié)構(gòu)有以下2個(gè)特點(diǎn)：

圖3 預(yù)終鍛模結(jié)構(gòu)

⑴采用了V形頂桿，可以解決傳統(tǒng)頂桿接觸面發(fā)生鐓粗變形而導(dǎo)致頂桿卡死，影響正常生產(chǎn)。

⑵采用鑲塊式結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)格系列化，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化制造，同時(shí)與鍛件非接觸模具部分，可以采用較為便宜的模具材料。

成形工藝

由于該類齒輪幅板面積大，導(dǎo)致幅板位置金屬流動(dòng)急促，而幅板為非加工面，表面質(zhì)量要求較高，成形上增加了預(yù)鍛。其成形工藝同開式鍛：鐓粗→預(yù)鍛→終鍛。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

⑴鐓粗設(shè)計(jì)。由于增加了預(yù)鍛，鐓粗采用簡(jiǎn)單平面鐓粗即可，要求鐓粗餅外徑與預(yù)鍛型腔外徑保持接近，用鐓粗外圓來實(shí)現(xiàn)定位。

⑵預(yù)鍛設(shè)計(jì)。預(yù)鍛設(shè)計(jì)可參照開式鍛設(shè)計(jì)，與終鍛相比，直徑、厚度尺寸做相應(yīng)增減，體積為終鍛的1.03～1.05倍。

1)為使預(yù)鍛件易于放進(jìn)終鍛模膛，預(yù)鍛件內(nèi)側(cè)尺寸應(yīng)比終鍛件大0.5mm左右，外側(cè)尺寸小于0.5～1.0mm。但是，在輪輻向輪緣過渡處，雖然這部分是內(nèi)側(cè)尺寸，預(yù)鍛工步可比終鍛工步尺寸小，以保證終鍛該處易于充滿。

2)輪輻厚度尺寸。預(yù)鍛工步可以和終鍛工步相等或略小，一般相差0.5～1.0mm。

3)輪轂部分。預(yù)鍛工步的體積比終鍛工步的體積大1%～1.5%。

高度方向一般最后來定，為了保證預(yù)鍛不會(huì)出毛刺，一般預(yù)鍛工步體積為終鍛的1.03～1.05倍，對(duì)應(yīng)尺寸比終鍛工步尺寸應(yīng)大1～2mm。

⑶終鍛設(shè)計(jì)。終鍛熱鍛件圖的形狀尺寸一般與冷鍛件圖對(duì)應(yīng)。但由于后序的沖孔可能存在局部變形，可根據(jù)模鍛情況對(duì)局部尺寸作適當(dāng)修整，如中間輪轂部分容易沖孔拉塌，在終鍛設(shè)計(jì)時(shí)就可以進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償增加加工余量。

聯(lián)合模設(shè)計(jì)

由于采用了閉式鍛工藝，省去了切邊工序，相對(duì)于原開式鍛工藝采用的聯(lián)合模如圖4所示，在模具設(shè)計(jì)上可進(jìn)行簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)的聯(lián)合模分為2個(gè)工步，左邊為沖孔工序，右邊為壓字工序。在上模板上并列安裝幅板孔沖頭和壓字沖頭固定器，壓字沖頭固定器上安裝壓字沖頭，在下模板上對(duì)應(yīng)位置并列安裝沖孔凹模和壓字胎模。該模具適合在壓床上對(duì)齒坯熱鍛件進(jìn)行幅板沖孔和壓凹字，相對(duì)于原有模具結(jié)構(gòu)，制造簡(jiǎn)單，調(diào)整方便。

圖4 聯(lián)合模

操作

設(shè)計(jì)合理的閉式模鍛工藝會(huì)降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化其操作，但操作中需要注意兩點(diǎn)：一，閉式模鍛件是不能返修的。二，操作中最忌諱粘模。需要操作者在生產(chǎn)中注意以下幾點(diǎn)：

⑴開始時(shí)生產(chǎn)節(jié)拍不宜太快，按操作熟練程度逐步提高節(jié)拍；

⑵鐓粗高度必須調(diào)整到位，保證鐓粗餅與型腔保持一致，實(shí)現(xiàn)定位；

⑶必須嚴(yán)格控制模具的預(yù)熱溫度，及時(shí)、規(guī)范地進(jìn)行模具的冷卻和潤(rùn)滑，防止粘模；

⑷選用合手的夾鉗，由于不能像開式鍛工藝一樣夾持飛邊，最好根據(jù)每個(gè)零件特點(diǎn)設(shè)計(jì)合適的夾鉗。

為保證鍛件的質(zhì)量與精度，應(yīng)盡量創(chuàng)造不間斷連續(xù)生產(chǎn)的條件和環(huán)境，以降低鍛件尺寸的波動(dòng)，這是極為重要的，建議對(duì)閉式模鍛生產(chǎn)實(shí)行專人、專機(jī)管理。

結(jié)論

我們先后開發(fā)了6種鍛件并進(jìn)行了批量生產(chǎn)，驗(yàn)證了其分析和設(shè)計(jì)是正確的，在熱模鍛壓力機(jī)上實(shí)施大型柴油機(jī)齒輪無飛邊模鍛是可行的。通過分析開發(fā)過程，可以得出以下結(jié)論：

⑴合理的閉式鍛工藝所需成形力比開式鍛小，通過閉式鍛開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)小設(shè)備生產(chǎn)大零件，同時(shí)簡(jiǎn)化了工藝、降低了材料消耗，實(shí)現(xiàn)了閉式鍛工藝的突破。

⑵閉式鍛工藝是齒盤類零件鍛造工藝發(fā)展的方向，通過選擇合適的模具結(jié)構(gòu)和成形方式，大部分齒盤類零件是可以實(shí)現(xiàn)無飛邊鍛造的。