鍛件沖連皮殘留料環原因分析及改進

文/高原，周昌鋒，梁磊·陜西法士特齒輪有限責任公司

由于國內重卡市場銷量連續多年破百萬輛，重卡用重型變速器也得到了快速發展。我公司作為產銷世界第一的重型變速器生產企業，同時也是國內主要的重型變速器供應商。齒輪作為變速器的主要組成部分，充分保證齒輪生產中各個環節的高效率是保證大批量變速箱按期交付的前提。

在變速器齒輪的鍛造過程中，沖連皮一般是閉式模鍛的最后一道工序，鍛件上的孔需要沖連皮加工出，減少了后續粗加工中的鉆孔工序。當鍛件在多工位鍛壓機自動生產線上生產時，沖連皮在鍛壓機上完成；在模鍛錘或螺旋壓力機上生產時，需要在一臺小噸位的壓力機上沖連皮。我公司某變速器雙聯齒輪零件（以下簡稱“雙聯齒輪”）簡圖如圖1 所示，雙聯齒輪鍛造齒坯在2t 程控錘上完成鍛造成形后，在250t閉式單點壓力機上進行沖連皮工序。圖2 是雙聯齒輪的冷鍛件圖，其中φ34.5mm 的孔就是在壓力機上沖連皮工序加工而成。

在首輪生產時發現，完成沖連皮后沖頭上行，會附帶沖出一個比凹模刃口稍大且形狀較規則的料環，同時也拉出較大毛刺。圖3 中左下角為沖掉的連皮，中間為沖連皮完成后的鍛件，右上角為殘留料環。殘留料環或粘牢在凹模刃口處，或粘附在鍛件下內孔φ43.5mm 處，或掉落在凹模刃口附近。料環粘在鍛件或者凹模上時，需要操作工用鉗子用力翹起，增加了勞動強度；即使料環掉落在凹模中時，也需要手動用鉗子夾出，嚴重降低了生產效率。高溫的殘留料環粘附在凹模刃口上長時間與凹模刃口接觸，也會加快刃口的磨損，降低模具壽命。這個殘留料環已經嚴重影響了雙聯齒輪的正常生產，亟待解決。

問題分析

雙聯齒輪沖連皮模具結構如圖4 所示，沖頭、上模板拉緊在燕尾上并固定在250t 閉式單點壓力機上模體上，凹模安裝在下模座上，下模座通過壓板結構固定在250t 閉式單點壓力機下模體上。壓力機滑塊下行時帶動沖頭下行，沖頭接觸連皮繼續下行切斷連皮，直至沖頭刃口進入凹模刃口將連皮從凹模下方推出落下，下到壓力機下死點后，壓力機上行回到上死點，完成一次沖連皮。分析此凹模結構可以發現，由于冷鍛件中φ43.5mm 尺寸與沖連皮尺寸φ34.5mm有一定距離，單邊達4.5mm，在完成沖頭刃口下行并進入凹模時，沖頭、凹模、鍛件之間會形成一個空腔。在沖連皮過程中，沖連皮處的金屬在沖頭的推動下向下流動，同時，部分金屬也會充填空腔，當此部分金屬與凹模刃口接觸時，有可能會被凹模刃口切斷，從而形成殘留料環。利用Deform 對沖連皮過程進行有限元模擬，如圖5 所示，也出現了沖頭把連皮處金屬推進空腔后將會被刃口切斷成料環的結果，更直觀地顯示了在沖連皮過程中殘留料環的形成。

改善措施并驗證

分析可知，沖連皮過程中，沖頭、凹模、鍛件之間形成的空腔是造成沖連皮后殘留料環的根本原因，因此需要更改鍛件結構或模具結構，從而填補空腔避免沖出殘留料環。現從改進鍛件結構或模具結構兩個方面分析改善：

一是改進鍛件結構。分析可知，鍛件毛坯圖中的φ43.5mm 尺寸與沖連皮尺寸φ34.5mm 有一定距離，單邊達4.5mm，在此處形成空腔，這是最終形成殘留料環的原因。因此，可以考慮在鍛件尺寸上填補空腔，將φ43.5mm 尺寸縮小至φ36.5mm，如圖6 所示，這樣就可使空腔大大減小，從而避免沖連皮時沖出殘留料環。但這種改動，會讓此處的加工余量由改進之前的單邊1.75mm 增加至單邊5.25mm，直接加大了此處的機加工余量，車削時需要多次走刀，不利于機加工。此外，還會增加32g 材料耗費。顯然，這種改善方式不是最理想的。

二是改進模具結構。根據現有鍛件結構，更改凹模結構，在凹模刃口處增加環形凸臺，如圖7 所示，環形凸臺的作用是在沖連皮過程中預先填充鍛件對應空腔，從而能夠有效避免沖連皮時沖出殘留料環，這是有效的解決方案。

按照這個更改模具結構的方案，重新投制了凹模（圖8），并現場生產再次試制沖連皮，發現增加環形凸臺后，殘留料環消失。同時明顯改善了沖連皮質量，未見沖連皮拉出毛刺情況（圖9）。

結論

本文通過分析某雙聯齒輪沖連皮時沖出殘留料環的原因，針對產生原因提出了相應的改進措施。具體結論如下：

⑴沖連皮時，沖頭、鍛件、凹模之間形成的空腔是導致產生殘留料環的根本原因。

⑵改進鍛件結構可有效避免形成空腔，但會增加機加工余量，并增加32g 材料，故此方法不是最理想的。

⑶改進凹模結構，在凹模刃口處增加環形凸臺，能有效避免沖連皮帶殘留料環，并明顯改善沖連皮質量。