扇形齒輪鍛壓件的設(shè)計(jì)制造

徐君

摘 要：本文探討扇形齒輪鍛壓件的制作過程，從工藝設(shè)計(jì)，模具設(shè)計(jì)到試樣制坯，從實(shí)體到三維造型，設(shè)計(jì)模具到模具制坯，通過對(duì)比不同規(guī)格的下料產(chǎn)生出即能保證質(zhì)量又能降低成本的最佳耗材。

關(guān)鍵詞：鍛造;扇形齒輪;模具設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.013

0 引言

扇形齒輪是某紡織機(jī)上的關(guān)鍵傳動(dòng)件，在設(shè)備中起著一定的平衡作用。由于現(xiàn)代設(shè)備對(duì)受力齒輪的要求越來越高，既要滿足性能要求，又要減輕重量，這就對(duì)加工工藝的性能提出了更高的要求。

在加工方法上常用的有鑄造和鍛造兩種。鑄造即把冶煉好的液體金屬用澆注、壓射等方式注入預(yù)先準(zhǔn)備好的鑄造模型，進(jìn)而獲得金屬成形物件的加工方式。鍛造即利用鍛壓機(jī)向加工件施加壓力，通過塑性變形塑造成符合要求形狀的加工方式。比較而言，鍛件的力學(xué)性能和使用壽命較鑄件性能低，且有不易變形、無裂縫、無砂眼等優(yōu)良性能，因此選用鍛造的方式來完成扇形齒輪的毛坯制造。

本課題以材料20CrMnTi的扇形齒輪鍛造件為例，探索鍛件制造的工藝性，以便提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 工藝分析

（1）本研究對(duì)象為扇形齒輪的產(chǎn)品實(shí)物，如圖1所示，因此應(yīng)先將其轉(zhuǎn)換為三維造型。采用應(yīng)用廣泛、操作容易上手的通用三維CAD繪圖軟件SolidWorks，得到了如圖2所以的扇形齒輪的三維鍛壓造型。由于只討論扇形齒輪鍛壓件的設(shè)計(jì)制造，軋齒屬于外包件范疇，得到不含齒的實(shí)心鍛件。該鍛件對(duì)材質(zhì)的內(nèi)在質(zhì)量要求較高。鍛件的最大尺寸為316mm、厚度為31.5mm，最薄厚度為16.5mm，進(jìn)行三維建模后，鍛件重量為8.9kg。從圖中可以看出，該件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，外形左右對(duì)稱，但鍛件厚度較薄，對(duì)鍛造工藝要求較高。鍛件材料具有良好的加工性和低溫沖擊韌性，加工變形微小，有很好的抗疲勞性能。抗拉強(qiáng)度σb≥1080MPa，屈服強(qiáng)度σs≥835MPa。

（2）零件形狀的基本特征是扇形加圓筒形件，一般情況下，主要成形方法是沖裁、拉伸、切邊沖孔和彎曲。由于鍛件存在著頂端難充滿的可能性，根據(jù)生產(chǎn)條件，選擇設(shè)備4000T摩擦鍛壓機(jī)進(jìn)行鍛打。在三維建模后的鍛件重量8.9kg的基礎(chǔ)上加料，用于確定下料的重量。由此設(shè)計(jì)出一套鍛造工藝，最終確定扇形齒輪鍛壓件的工藝流程為：下料-加熱-制坯-模鍛-切邊-正火-拋丸-探傷-打磨-檢查。

2 模具制造與試樣

2.1 模具制造

根據(jù)扇形齒輪的產(chǎn)品圖設(shè)計(jì)出扇形齒輪的毛坯三維造型后，并按照一定的熱收縮比例設(shè)計(jì)出扇形齒輪的模具圖，如圖3所示。將所有R角放大，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求將產(chǎn)品厚度盡量加厚以減小鍛壓機(jī)的噸位。模具材料選用5CrNiMo，利用加工中心來制作出模具，如圖4所示。

2.2 試樣步驟

2.2.1 下料

依據(jù)扇形齒輪鍛壓件的工藝分析，選用圓盤鋸或帶鋸床下料，料的直徑90mm，按1.2、1.3和1.4的比例增加材料消耗，因此選用長度擬定3種規(guī)格進(jìn)行試制，分別為213mm、231mm和250mm。將圓鋼加熱至1150度左右。

2.2.2 制坯

先在坯料上做去氧化皮處理。由于扇形齒輪一頭呈扇形分布，不容易充滿，因此制坯時(shí)需將一頭制成圓盤狀，才可盡量打滿。考慮目前的加工工藝，選用1T的空氣錘，將料的前端拍至寬度200mm左右的圓盤。

2.2.3 模鍛

將溫度控制在1050-1150°C左右，由于拍扁過程中溫度下降較多，鍛件厚度較小，溫度過低將導(dǎo)致鍛件的抗變形力增加，進(jìn)而無法充滿。溫度過低需重新使用天然氣爐或箱式電爐加熱。將毛坯放至模具中進(jìn)行鍛打，保證型腔充滿。

2.2.4 切邊

將毛坯件取出，在400T油壓機(jī)上進(jìn)行切邊處理。

2.2.5 檢查

鍛件制造好后，檢查有無折疊，有無氧化皮，有無缺料，有問題及時(shí)反饋至前道工序繼續(xù)加工，若已符合相關(guān)要求后方可進(jìn)行后續(xù)批量生產(chǎn)。如圖5所示。

經(jīng)過試制，驗(yàn)證三種下料規(guī)格的原材料，皆能實(shí)現(xiàn)扇形齒輪鍛件的鍛造成形。但是213mm的毛坯料飛邊偏小，且有會(huì)導(dǎo)致充型不完整的可能性;250mm長度的規(guī)格雖充型效果好，但是飛邊過多不利于降低成本增加效能，所以為了既有穩(wěn)定的工藝又降低成本，選擇231mm的規(guī)格。

3 存在的問題

在試樣的過程中，由于扇形齒輪中部薄可能造成溫度下降過快，導(dǎo)致所需鍛壓機(jī)噸位變大的問題，因此在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加厚了中部的厚度，考慮到是全加工件，只要超厚不太大也是可以接受的。另外，在打擊的過程中由于存在較大的沖擊力，錘頭的晃動(dòng)導(dǎo)致有些許錯(cuò)位的發(fā)生，在后期應(yīng)更好的控制好生產(chǎn)的節(jié)奏，減少不必要的時(shí)間耽誤，更應(yīng)避免溫度的流失影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過對(duì)扇形齒輪整個(gè)工藝流程及加工制造的研究，掌握了該類產(chǎn)品鍛件的設(shè)計(jì)流程和成形特點(diǎn)，也為后續(xù)類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一點(diǎn)借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚軍.機(jī)車用傳動(dòng)齒輪輪轂鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2018，53（03）：108-111.

[2]楊良會(huì)，吳永安等.預(yù)防薄壁環(huán)鍛件熱處理變形模具設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2017，43（03）：60-62.

[3]吳順達(dá).我國鍛造行業(yè)模具與潤滑現(xiàn)狀及其發(fā)展方向[J].模具工業(yè)，2011，37（05）：5-11.