一種驅(qū)動(dòng)齒輪類零件鍛造成形工藝的探討

文/孟俊，張向卓·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

驅(qū)動(dòng)齒輪類零件具有直徑小、厚度大、內(nèi)孔大的特點(diǎn)。在鍛造成形過(guò)程中極易在上模內(nèi)孔上產(chǎn)生折疊的鍛造缺陷。

圖1 為某公司設(shè)計(jì)的某副箱驅(qū)動(dòng)齒輪毛坯示意圖，該齒輪產(chǎn)品外徑為φ156.7mm，總厚度為97.1mm。針對(duì)該類直徑小、厚度大類似法蘭盤的零件，某公司毛坯生產(chǎn)大多設(shè)計(jì)為錘上開(kāi)式的工藝。

圖1 副箱驅(qū)動(dòng)齒輪閉式毛坯示意圖

錘上開(kāi)式工藝

開(kāi)式模鍛是最廣泛使用的模鍛方法，優(yōu)點(diǎn)在于飛邊起到了補(bǔ)償、緩沖作用，保證了生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性和復(fù)雜平面的鍛造成形，但是其飛邊材料損耗為鍛件重量的10%～50%，平均約為30%，而材料費(fèi)占模鍛件成本的60%～70%。圖2 為相應(yīng)的開(kāi)式熱鍛件圖。

圖2 驅(qū)動(dòng)齒輪開(kāi)式熱鍛件圖

錘上閉式工藝

閉式模鍛亦稱無(wú)飛邊模鍛，坯料在封閉型槽內(nèi)以鐓粗或擠壓的方式變形成鍛件。同開(kāi)式模鍛相比，閉式模鍛比采用開(kāi)式模鍛所需的變形力和變形功約低30%～50%，可大大提高金屬材料的利用率和鍛件精度，鍛件表面質(zhì)量好，金屬纖維分布更加合理。圖3為相應(yīng)的閉式熱鍛件圖。

但是在上模內(nèi)孔處(圖4 紅色圓圈處)極易出現(xiàn)鍛造折疊缺陷，由于此類零件內(nèi)孔窄而深，鍛造過(guò)程中內(nèi)孔處上部和下部金屬極易充滿型腔，而中間金屬?zèng)]有充滿，隨著變形金屬在型腔中的流動(dòng)，在內(nèi)孔中部就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空穴，最終在此處金屬上下部匯合充填，產(chǎn)生折疊。

熱模鍛閉式工藝

毛坯圖的制定

圖3 驅(qū)動(dòng)齒輪閉式熱鍛件圖

圖5 毛坯圖

根據(jù)毛坯圖輪廓(圖5)整體單邊余量2mm(細(xì)實(shí)線部分為最終產(chǎn)品圖輪廓)，允許上尖點(diǎn)處未充滿圓角≤R4mm。鍛件重量7.95kg。熱鍛件圖的制定

終鍛件圖的制定主要考慮兩點(diǎn)：⑴熱收縮率，對(duì)中、低碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼在熱模鍛溫度時(shí)，鍛件圖上所有尺寸的線性熱收縮率一般選用1.5%，將冷鍛件整體尺寸乘以1.5%即可獲得終鍛工步圖；⑵鍛件外形尺寸，終鍛熱鍛件圖的形狀尺寸一般與冷鍛件圖對(duì)應(yīng)，但可根據(jù)模鍛情況對(duì)局部尺寸作適當(dāng)修整，比如沖孔變形，圖6 中尺寸φ62.5mm 的孔按熱收縮率1.5%在熱鍛件圖中應(yīng)為φ63.4mm，而最終設(shè)計(jì)時(shí)是φ62.6mm，縮了0.8mm，這是因?yàn)闊釠_孔時(shí)變形，該尺寸會(huì)變大，而增加的余量，同樣φ130.4mm 也是考慮到?jīng)_孔變形而增加了0.6mm 的余量。

圖6 熱鍛件圖

預(yù)鍛熱鍛件圖的設(shè)計(jì)根據(jù)是終鍛熱鍛件圖，熱模鍛壓力機(jī)主要有三個(gè)工步：鐓粗、預(yù)鍛、終鍛。鐓粗一般設(shè)計(jì)成平鐓粗，鐓粗成圓餅子，終鍛件圖根據(jù)零件圖設(shè)計(jì)，而預(yù)鍛件圖的設(shè)計(jì)是最為關(guān)鍵的，也是自由度最大的，為終鍛做準(zhǔn)備，主要起一個(gè)分料的作用，應(yīng)使設(shè)計(jì)的預(yù)鍛件在終鍛型槽內(nèi)盡可能鐓粗成形。

此次在設(shè)計(jì)預(yù)鍛型腔時(shí)，主要有三種不同設(shè)計(jì)思路：

⑴為使預(yù)鍛件在終鍛時(shí)更好的定位和防止形成折疊，靠外圓定位，如圖7 所示，預(yù)鍛下模的形狀尺寸應(yīng)與終鍛下模基本吻合，預(yù)鍛上模設(shè)計(jì)成與終鍛上模形狀相近，當(dāng)模擬到終鍛連皮17.4mm 時(shí)，內(nèi)部很明顯還有3 處未充滿，如圖8 所示。

圖7 鐓粗后坯料放入預(yù)鍛型腔

圖8 終鍛時(shí)內(nèi)部未充滿

圖9 鐓粗后坯料放入預(yù)鍛型腔

⑵預(yù)鍛上模設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單的大凸臺(tái)，如圖9 所示，同時(shí)為使預(yù)鍛件能進(jìn)入終鍛上模窄而長(zhǎng)的型腔內(nèi)，如圖10 所示，將預(yù)鍛下模外圓直徑縮小，使預(yù)鍛件放入終鍛型腔不靠外圓定位，而是靠終鍛下模的窄且深的型腔定位。

從圖11 可看出當(dāng)模擬到終鍛連皮厚度為17.4 mm 時(shí)，對(duì)比圖8 內(nèi)部很明顯已充滿，但在終鍛模擬中當(dāng)連皮厚度為20mm 左右時(shí)，圖12 中紅圈部位出現(xiàn)折疊。

圖10 預(yù)鍛后坯料放入終鍛型腔

圖11 終鍛時(shí)內(nèi)部充滿

圖12 終鍛過(guò)程中(連皮20mm)出現(xiàn)折疊

⑶對(duì)比以上兩種設(shè)計(jì)思路，就最終鍛件充滿性而言，第二種設(shè)計(jì)思路更好，但是第二種設(shè)計(jì)方案在終鍛成形Deform 模擬過(guò)程中，在上模內(nèi)孔處有產(chǎn)生折疊的趨勢(shì)。針對(duì)上述兩種設(shè)計(jì)思路，綜合考慮鍛件最終的充滿和折疊兩種因素，設(shè)計(jì)出一方面能夠保證鍛件的充滿，另一方面避免鍛件產(chǎn)生折疊缺陷的預(yù)鍛工步圖。

鐓粗后的餅類件放在預(yù)鍛型腔中以下模內(nèi)孔定位(圖13)；預(yù)鍛上模不做出圖7 中紅色方塊部分，這樣預(yù)鍛分料時(shí)，盡可能將料保留到內(nèi)部，外部料分的少，確保終鍛時(shí)當(dāng)外部快充滿時(shí)內(nèi)部已完全充滿，終鍛Deform 有限元模擬時(shí)，當(dāng)分模面處快充滿，連皮厚度為17.4mm 時(shí)，型腔內(nèi)部已充滿(圖14)，因?yàn)榇祟愋螤盍慵诮K鍛成形時(shí)料極易往外排，導(dǎo)致內(nèi)部充滿性不好；將預(yù)鍛連皮厚度由原來(lái)的52mm 增加到62mm，通過(guò)Deform 有限元模擬，鍛件在終鍛模擬過(guò)程中(圖15)，沒(méi)有產(chǎn)生折疊的趨勢(shì)(圖16)，因?yàn)楫?dāng)預(yù)鍛連皮薄時(shí)，也就是預(yù)鍛件上凸臺(tái)高時(shí)，預(yù)鍛件放入終鍛型腔，在終鍛成形過(guò)程中，在終鍛上模內(nèi)孔處由于型腔窄而長(zhǎng)，極易在內(nèi)孔中間部位產(chǎn)生折疊；預(yù)鍛型腔設(shè)計(jì)的比終鍛型腔大13%，一般設(shè)計(jì)預(yù)鍛型腔比終鍛型腔大8%左右，因?yàn)榇诵螤畹念A(yù)鍛型腔，在成形過(guò)程中，料沿著預(yù)鍛上模往外流動(dòng)很快，預(yù)鍛極易出現(xiàn)毛刺，當(dāng)終鍛時(shí)毛刺壓入型腔產(chǎn)生折疊。

綜合上述三種方案，最終選擇第三種設(shè)計(jì)思路進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。而實(shí)際生產(chǎn)中也驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)，采取第三種方案設(shè)計(jì)模具時(shí)，鍛件充滿性好，且無(wú)其他折疊等鍛造缺陷。

圖13 鐓粗后坯料放入預(yù)鍛型腔

圖14 終鍛時(shí)內(nèi)部充滿

圖15 預(yù)鍛后坯料放入終鍛型腔

圖16 終鍛過(guò)程(連皮20mm)

結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)齒輪類零件不同工藝設(shè)計(jì)的對(duì)比，得出以下結(jié)論：

⑴預(yù)鍛型腔不一定要完全根據(jù)終鍛型腔而設(shè)計(jì)，要具體情況具體對(duì)待。

⑵預(yù)鍛型腔設(shè)計(jì)時(shí)一方面要考慮分料，另一方面也要考慮料的相對(duì)流速。

⑶此類零件在上模內(nèi)孔處極易產(chǎn)生折疊，預(yù)鍛連皮設(shè)計(jì)的要相對(duì)厚些。

⑷此類零件的預(yù)鍛型腔體積要大一些，否則預(yù)鍛易出毛刺，在終鍛時(shí)毛刺壓入型腔產(chǎn)生折疊。

⑸該驅(qū)動(dòng)齒輪類零件的模具設(shè)計(jì)對(duì)其他相似件模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有借鑒和參考意義。