一種三錐同步器錐環鍛造工藝改進的分析及驗證

文／孟俊·陜西法士特齒輪有限責任公司

某三錐同步器錐環鍛造時不易充滿，且易粘上模，鍛件變形大，模具壽命較低，改進前鍛件外形九齒未鍛出，由后續機加銑出外部齒形，機加生產節奏慢，已無法滿足現有的生產計劃。通過鍛造工藝的改進及模具結構的優化，熱鍛直接鍛出外形九爪，降低生產成本，提高生產節奏，設計成形鐓粗臺，增加預鍛，改進上頂出結構，上下模增加阻尼槽，極大地改善鍛件充滿性，杜絕了鍛件粘上模現象的發生，通過模具整體改分體結構，提高模具硬度以及模具型腔表面增加離子滲氮，進而提高模具壽命。

近期，公司一種副箱三錐面同步器錐環(圖1)逐漸上量，以往生產基本每月五六百件，目前月需求量大幅度增加，現有的機加能力已無法滿足當前生產需求。通過鍛造工藝的改進及現場實例的分析驗證，鍛造直接鍛出外形九齒，極大地加快了機加工生產節拍，同時減少了原材料的消耗，降低了生產成本，在實際生產中取得了顯著成果。

圖1 副箱三錐面同步器錐環

該鍛件總厚20mm，外圓直徑為φ199mm，內孔直徑為φ130mm，并且還帶有三處凹槽非加工面，屬于形狀復雜系數較高的典型薄壁件，鍛造時其異形圓角處不易充滿，且終鍛鍛件易粘上模，頂出變形大，模具壽命較低，改進前鍛件外形九爪未鍛出，后續機加銑出外部齒形，單銑齒工序節拍16 分鐘/件，生產節奏慢，無法滿足現有的生產計劃。

鍛造工藝的改進及驗證

鍛造工藝的選擇

⑴第一種方案：熱切九齒。

保留原有的終鍛模具型腔不變，設計了一套帶導向定位鍵的彈性沖孔切邊模(圖2)，在沖孔切邊工序直接熱切出外形九齒，熱切前后鍛件見圖3。現場驗證200 件后發現，鍛件平面度不穩定，九齒外圓尖角處變形不可控。當切邊鍛件溫度相對比較低時，熱切變形比較大，尤其是九個齒的齒尖極易拉變形，該過程不可控，存在一定的質量隱患，且耗料比較大，鍛件成本較大，此方案不可取。

圖2 熱切模具

圖3 熱切前后鍛件

⑵第二種方案：熱鍛九齒。

直接在終鍛模具型腔設計鍛出九齒，現場驗證200 件后發現，鍛件尺寸基本能保證，但現場實際生產時存在一系列的問題，無法進行連續性的保質保量的生產。由于上模型腔形狀較復雜，且該零件屬于形狀復雜系數較高的典型薄壁件，鍛件在非加工槽孔處極易存在充不滿的現象。鍛件易粘上模，上頂出不順，一半脫離型腔一半還在型腔里，導致鍛件變形較大，沖孔時鍛件放不進沖孔凹模內，造成生產中斷；鍛造模具壽命低，該件模具型腔的加工周期較長，生產需求量較大，模具生產已無法滿足現有的生產需求。

對比以上兩種方案，最終選擇方案二，并針對方案二的不足進行逐條分析及改進，結合現場生產驗證確定最終的生產方案。

鍛造工藝的改進及驗證

⑴針對充不滿的改進。

增加預鍛(圖4)，結合DEFORM 模擬軟件，增加預鍛型腔，使坯料進行預分流，預鍛型腔不建議做成較復雜的異形型腔，生產驗證發現，終鍛時鍛件易發生折疊缺陷。該件內孔大，壁厚薄，預鍛型腔設計時將料鍛打成類似輾環件，盡可能將中間連皮多余的料排出去，終鍛時坯料在型腔內鐓粗充滿型腔，不要有劇烈的料的流向，同時要將預鍛型腔的過渡圓角盡可能設計的大一些。成形鐓粗臺、預鍛、終鍛下模設計定位槽，可保證坯料在模具型腔中的準確定位，避免料放偏，便于進一步鍛造成形，薄壁件極易發生料偏，一側充不滿的缺陷，保證終鍛時成形的飽滿性，無折疊等質量缺陷；在飛邊處加阻尼槽，起到阻止金屬流動，使金屬反充便于充滿非加工槽孔處，改進前后模具見圖5。

圖4 預鍛件

圖5 改進前后模具

上述工藝設計的改進，已完全解決鍛件不能充滿的質量缺陷。

⑵針對易粘上模、變形大的改進。

對原有的上頂桿結構進行改進，加大上頂桿頂出鍛件的接觸面積，由原有的φ40mm 加大至φ55mm，上頂出不順易粘上模導致的鍛件變形問題徹底解決，見圖6。

圖6 改進前后上頂出結構

⑶針對模具壽命低的改進。

將原有的整體模具從型腔易開裂處(圖7)改成分體結構，將外壓圈做成通用件，同時提高模芯硬度，現場生產驗證后發現，不僅解決了整體模具從壁厚較薄處易開裂的風險，同時提高了模具壽命；模具型腔表面增加離子滲氮，現場生產驗證后發現，模具壽命提高至原有的1.5 倍。

圖7 開裂模具

⑷批量化生產驗證。

按以上三處改進措施已批量化投放模具，現場已大批量生產十萬件以上，如圖8 所示，鍛件尺寸合格，無折疊、充不滿等鍛造缺陷；模具壽命良好。

圖8 鍛件圖

總結

⑴由于三錐同步器錐環需求量比較大，機加無法滿足現有的生產節奏。工藝改進后，直接鍛出外形九齒，機加工序節拍提高了兩倍，極大地提高了現有的生產能力。

⑵增加預鍛工步，成形鐓粗臺、預鍛模具、終鍛下模設計定位槽，可保證坯料在模具型腔中的準確定位，增加阻尼槽，增加了飛邊阻力，上述措施可有效保證鍛件充滿性。

⑶整體模具改為分體模具，提高模具硬度，模具型腔表面增加離子滲氮，模具壽命提高至原有的1.5 倍。

⑷以上措施提高了鍛件生產合格率，其設計理念可以應用到相同結構零件的鍛造成形設計中，具有一定的借鑒意義，實現形狀復雜系數較高的典型薄壁鍛件的批量化生產。