齒圈類鍛件閉式鍛造成形模擬優化及應用

齒圈是扁薄類鍛件的典型代表之一，具有外徑大、厚度小、內孔大的特點，在鍛造成形過程中易在內孔位置形成折疊等鍛造缺陷。圖1為我司開發設計的某齒圈毛坯示意圖，齒圈鍛件外徑為

200mm，總厚度尺寸為32mm，內孔尺寸為

100.5mm。針對此類直徑大，厚度小的扁薄類鍛件，為保證成形過程的穩定性，大多采用鐓粗→預鍛→終鍛→沖孔四工步成形的方式生產。如圖2所示，成形工步件采用外圓定位，保證各工位傳遞的穩定性，預鍛工步設計起到合理地分配坯料各部分金屬體積的作用，利于金屬充填模膛，同時減少終鍛模膛的磨損。

鍛造成形工步

在實際生產中，隨著需求量的增加，對生產效率有了更高的要求。考慮齒圈鍛件結構特點，采用減少成形工步的方式，設計為鐓粗→終鍛→沖孔三工步閉式鍛造成形工藝來滿足生產效率的提升，同時需保證鍛件的成形質量。針對該齒圈鍛件設計的三工步成形工藝如圖3所示，鐓粗工位設計定位臺用于鍛件在終鍛模膛中定位，保證成形質量。

鍛造缺陷

采用三工步工藝實際鍛造過程中，發現鍛打過程中存在一定比例的裂紋缺陷，鍛件探傷結果如圖4所示，采用磁粉和著色探傷方式，發現在內孔位置有一條沿圓周方向的連續線形缺陷，經過加工驗證，裂紋延伸到鍛件內部2mm～4mm，嚴重影響鍛件產品后續加工質量。

檢驗結果

在缺陷位置取樣分析裂紋類型，從圖5中可以看出，在裂紋位置發現存在氧化皮，判定為在鍛打過程中，坯料流動時，上、下位置存在回流，在內孔處形成折疊缺陷，排除由原材料原始裂紋引起的裂紋擴展。

原因分析

此方案采用常規件的經驗進行設計，終鍛工位鍛件尺寸設計如圖6所示，下模匹配成形鐓粗定位尺寸設計，定位位置厚度為3mm。

有限元分析

在實際生產中，上述觀點得到驗證，同樣的生產條件下，鍛件檢測未發現折疊等鍛造缺陷，成形質量良好。優化后終鍛件結構如圖9所示，通過改善坯料流動趨勢，內孔上模角度增大到150°，過渡圓角設計為R20mm，增加少量的坯料實現鍛件的快速、優質成形。

干旱的地域差異是干旱分區的基礎。分區原則是反映區域差異的基本法則，是進行分區的指導思想，同時也是選取分區指標、建立等級系統、采用不同方法的基本準繩。

生產過程分析

為進一步研究內孔折紋產生原因，對生產過程進行分析。坯料使用中頻加熱爐加熱，中頻加熱爐具有加熱速度快、生產效率高、氧化脫碳少等突出特點，適合大批量生產，但是受材料成分、加熱參數影響，加之坯料加熱后存在溫差，坯料初始溫度存在波動；坯料在成形工位之間轉運時，雖然模具上存在定位結構，坯料擺放仍可能出現擺偏。以上因素會導致鍛件在內孔位置存在折疊缺陷。

優化驗證

工作步驟：首先將上部裝置本體上的標記處與無磁懸掛刻線對齊，然后通過固定裝置將其與無磁懸掛固定連接，再打開激光發射器放入發射器安裝孔并通過發射器護蓋固定好，然后提升鉆具使動力鉆具刻線處位于井口合適位置，再轉動下部裝置本體，使紅色激光光點與角度刻度盤的0度刻線在同一半徑方向，然后固定下部裝置本體，將另一半刻度盤插入卡槽并用限位螺栓固定，最后讀取動力鉆具刻線所對應的角度，該角度即是MWD的工具面角差。

因而，這次“自然、創新、共享”的前瞻性和開創性的文化行為，正是民勤縣委、縣政府和民勤人民為實現國家所倡導的文化創新與文化建設理念，以生態元素和藝術品格助推甘肅省文化建設的有力行動。

針對鍛打過程中產生的問題，利用Forge有限元仿真軟件進行模擬分析，模擬結果如下。終鍛成形時，鐓粗后的坯料通過模具中心凹槽進行定位，坯料除定位凸臺外，還需考慮平模結構，采用簡單結構利于坯料流動。成形初期，坯料橫向變形劇烈，寬度方向變形量遠大于高度方向變形量，隨著模具下行，坯料首先與側壁接觸，而后充填內型腔，最后充填外法蘭區。依據整個模擬成形過程，坯料流動趨勢符合成形需求。觀察內孔位置坯料流動規律，圓角區兩側金屬先與模具接觸，最終匯集在圓角處，通過對該處折疊趨勢的有限元分析可知，坯料在終鍛成形過程中沒有產生折疊(圖7)。

如圖1所示，泳道2、5、8、11分別是4種芋螺毒腺的DNA，其條帶清晰、完整和無拖尾現象；其A260/A280值在1.80～2.00，表明芋螺的基因組DNA純度符合PCR擴增要求，且能夠從200 mg毒腺中提取約9.2 μg DNA；泳道1、4、7、10分別是4種芋螺毒管的DNA，其條帶部分明亮，存在降解現象，有少量的RNA片段存在；泳道3、6、9、12分別是4種芋螺的肌肉組織，其條帶也是部分明亮，但蛋白含量較多。根據上述結果，毒腺基因組DNA含量最高，其次為毒管，肌肉組織最少。因此，提取芋螺毒腺基因組DNA的純度和產率均能夠符合ITS-PCR擴增的基本要求。

考慮到生產實際中的諸多因素，進一步優化模具結構來解決內孔折紋問題。成形過程模擬結果如圖8所示，隨著成形過程的進行，先完成內孔圓角區充滿，隨后與模具側壁進行接觸，最終完成鍛件充滿。相較于原有結構，內孔圓角區先完成充填時，坯料與模具側壁尚未接觸，一定程度上減少接觸側壁后坯料回流量，避免在內孔圓角上平面坯料形成渦流并產生折紋。

結論

本文通過對齒圈類鍛件成形工藝的優化設計，通過仿真分析與實際生產驗證，得到以下結論：

⑴根據鍛件實際生產需求，匹配提升生產效率的工藝需要考慮綜合因素，工藝性與生產實際相結合；

⑵齒圈類鍛件內孔區易產生折疊缺陷，預鍛設計要充分考慮坯料流動規律，并為生產過程留有相應的調整量；

⑶此齒圈鍛件模具設計為相似件提供了一定的參考，可依據鍛件結構特點適當優化。