鋼質同步器齒環精鍛工藝研究

文／王子孝，吳江，楊象勇·浙江萬里揚精密制造有限公司鍛造工廠

同步器是汽車變速箱中實現變速的重要組件，齒環是同步器的重要零件，齒環的精度與質量會對變速的實際效果產生直接影響。隨著汽車工業的飛速發展，原銅質同步器齒環逐漸被鋼質同步器齒環取代，我公司同步器產品基本上是鋼質材料，需求量大，需要大批量生產。本文主要對鋼質同步器齒環精鍛工藝進行研究。原材料材質為20CrMnTi,精鍛前狀態為輾環粗車坯料；擬定精鍛工藝方案：粗車坯料→熱精鍛→車飛邊→退火→拋丸→高分子處理→冷精壓，通過確定熱精鍛坯料規格(含3D 模擬)、精鍛模具設計制造、精鍛工藝試驗等，確保精鍛過程中不會發生折疊、開裂、齒形充不滿、表面粗糙等缺陷，通過工藝驗證鋼質同步器齒環精鍛工藝是可行的，3D 模擬與實際驗證結果吻合一致。

確定熱精鍛坯料規格

此次研究的鋼質同步器齒環是用20CrMnTi 熱軋圓鋼經下料→加熱→預鍛→沖孔→輾環加工而成的毛坯通過粗車后獲得，外圓有3 個凸鍵和48 個小齒，凸鍵和小齒精度及表面粗糙度要求較高：凸鍵寬度偏差±0.1mm，對稱度公差0.15mm；小齒凸凹圓角小到R0.2mm，相鄰齒跳動公差0.05mm；非加工面表面粗糙度要求Ra3.2μm，精鍛后這些部位不再進行機加工。

鍛件成品造型理論重量為0.27kg，根據經驗數據，內外飛邊寬度為6 ～8mm，厚度為1.5 ～2.5mm為宜，以此測算下料總重量為0.39kg；坯料在模具內定位最佳選擇是齒根圓φ113mm 處，放適當間隙后坯料外徑可以按照φ112mm 確定；參考鍛件內孔尺寸φ94mm，初選坯料內徑為φ88mm、φ90mm、φ92mm、φ94mm四種，根據坯料總重量和內外徑尺寸計算出4 種坯料厚度分別為13.2 mm、14.2mm、15.5 mm、17.1 mm。

經過3D 軟件模擬(圖1)，上述4 種規格的坯料，飛邊大小情況各不同，產品基本能成形，模擬結果顯示，2#規格坯料成形后內外飛邊較均勻，理論上是最合適的，待后續工藝驗證。

圖1 3D 模擬結果

精鍛模具設計制造

熱精鍛模具設計要點

按冷精壓鍛件圖，側面周邊減小0.1 ～0.15mm間隙，厚度加大0.5 ～1mm，從而獲得熱精鍛鍛件圖，熱收縮率為1.5%，由此可以確定熱精鍛模具型腔尺寸。此次工藝研究采用開式模鍛，設計內外飛邊槽，在下模內飛邊位置設計頂料桿。利用該設備原有模架尺寸設計熱精鍛模具的外形尺寸，與熱料直接接觸的型腔模具材料選用紅硬性較好的1.2367 制作，可以保證產品精度。

冷精壓模具設計要點

冷精壓模具型腔尺寸與冷精壓鍛件圖一致，頂出結構與熱精鍛模具類似，模具外形尺寸也按照原設備模架設計，齒形下模選用硬度高且耐磨性好的LD材料。

精鍛模具制造要點

模具型腔采用高速數控加工中心粗銑，熱處理后用電火花加工制造，最后采用專用拋光設備將模具型腔進行拋光處理。

精鍛工藝試驗

模具預熱

采用專用加熱裝置將模具預熱到250 ～300℃，便于齒形充填飽滿且不容易導致模具異常破裂。

坯料加熱

將粗車好的4 種規格坯料各20 件分別做好標識，在專用中頻感應加熱裝置中快速加熱到1150 ～1200℃。

熱精鍛

利用現有630 噸數控螺旋壓力機熱精鍛(模擬成形力為327 ～453 噸)，將加熱后的坯料準確平放于熱精鍛模具齒根圓定位處，坯料外圓面與模具齒根圓貼合實現坯料定位，避免精鍛過程中發生折疊、齒形充不滿等缺陷，熱精鍛過程中還需用脫模劑對模具實施冷卻潤滑。

經現場工藝驗證，鋼質同步器齒環熱精鍛工藝試驗結果和3D 軟件模擬結果吻合一致，3D 造型圖和熱精鍛產品實物見圖2。四種規格的坯料中，規格2#成形效果最佳，內外飛邊大小均勻，既能保證產品各部位充型飽滿，又無折疊、開裂等鍛造缺陷，也不浪費材料。其余3 種規格坯料中：規格1#試驗結果為外圓飛邊較小，有少量齒形不飽滿，內飛邊較大，材料浪費比較多；規格3#和4#外圓飛邊較大。

圖2 3D 造型圖和熱精鍛產品實物

車飛邊

熱精鍛毛坯自然冷卻后將其內孔和外圓處的飛邊車除，厚度方向飛邊暫時不車，需作為后序冷精壓的精壓余量，厚度方向飛邊由后道機加工車除。

退火軟化

采用退火工藝將毛坯軟化處理，便于冷精壓成形。

拋丸清理

將退火后的毛坯在現有掛式拋丸機上進行拋丸清理，去除毛坯表面氧化皮。選用直徑小于0.4mm 的細鋼丸，便于冷精壓時保證產品表面粗糙度。

高分子處理

將拋丸后的毛坯進行高分子潤滑處理，提高產品冷精壓后的表面粗糙度和冷精壓模具壽命。

冷精壓

將高分子處理后的毛坯平穩放入冷精壓模具中，用現有1600 噸油壓機精確設置壓力后進行冷精壓試驗(實際需求1000 噸左右)，每精壓一件產品后用高壓氣槍對模具型腔進行吹掃清理。經過檢測，冷精壓后的產品尺寸精度和表面粗糙度均滿足圖紙要求。

結束語

⑴采用熱精鍛+冷精壓的鍛造工藝可以實現鋼質同步器齒環的精鍛成形。

⑵3D 軟件模擬結果與鋼質同步器齒環熱精鍛工藝試驗結果吻合一致，完全可以指導鋼齒環模具設計，能夠縮短產品開發周期并降低開發成本。