機(jī)車(chē)用大型傳動(dòng)齒輪轂鍛造工藝研究

文/羅天園·中國(guó)中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司

機(jī)車(chē)用大型傳動(dòng)齒輪轂鍛造工藝研究

文/羅天園·中國(guó)中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司

羅天園，主要從事高溫合金葉片、船用連桿、高壓閥體及機(jī)車(chē)用等多種類(lèi)型鍛件鍛造工藝研究，獲得三項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利，及四川機(jī)械行業(yè)協(xié)會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。

本文主要論述了機(jī)車(chē)傳動(dòng)齒輪轂的鍛造方法，從鍛件外形設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)制定、過(guò)程控制等方面，討論如何生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定、成本可控的優(yōu)質(zhì)鍛件。該鍛件投影面積大、齒輪盤(pán)薄且為深孔，在設(shè)計(jì)時(shí)要很好的考慮設(shè)備選型、分型面的選定、坯料參數(shù)的選擇等。

工藝分析

鍛件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該鍛件為某出口機(jī)車(chē)傳動(dòng)部件，材質(zhì)為42CrMo4，外形設(shè)計(jì)對(duì)材質(zhì)的內(nèi)在質(zhì)量要求較高。鍛件最大尺寸為730mm、鍛件高度為210mm，三維建模鍛件重280kg，鍛件外形如圖1所示。由圖1可知鍛件厚度落差較大、齒盤(pán)厚度薄，因此存在齒盤(pán)不能打靠及頂端難充滿的特點(diǎn)。

圖1 鍛件外形圖

鍛件工藝分析

三維建模后鍛件重量在280kg的基礎(chǔ)上增加了15%以內(nèi)的消耗材料，用于定額確定下料重，結(jié)合我公司10t電液模鍛錘可以設(shè)計(jì)一套聯(lián)合鍛造工藝，因此擬定工藝流程為：下料→加熱→鐓粗→模鍛→切邊→正火→拋丸→探傷→打磨→檢查。

工裝模具設(shè)計(jì)

鍛件分模設(shè)計(jì)

依據(jù)鍛件最大投影面積及利于鍛件出模的原則，分模線可選擇在齒盤(pán)的中部或齒盤(pán)的一端。經(jīng)過(guò)論證認(rèn)為將分模線設(shè)置在齒盤(pán)的一端不利于鍛件的切邊，切邊后會(huì)形成大量的毛刺或引起鍛件翹曲變形，最終決定將分模線設(shè)計(jì)在齒盤(pán)中部。中間孔連皮則盡量設(shè)計(jì)在孔的中部，可保證孔兩端具有良好的充填性。

鍛模設(shè)計(jì)

鐓粗過(guò)程在10t電液錘上實(shí)現(xiàn)，鐓粗模采用現(xiàn)有平板模。模鍛在16t電液錘上進(jìn)行，為了節(jié)省模塊成本及提高鍛模的導(dǎo)向性能，進(jìn)行了單型腔鍛模及圓形鎖扣設(shè)計(jì)，可在合理的范圍內(nèi)有效縮小模塊尺寸，同時(shí)提高了鍛模的導(dǎo)向精度。為了利于鍛件充型良好，將鍛件距離齒盤(pán)遠(yuǎn)的一端設(shè)計(jì)在上模，距齒盤(pán)近的一端設(shè)計(jì)在下模。將難充滿部位利用反擠原理實(shí)現(xiàn)填充效果。為了鍛件能夠打靠，從而使多余的金屬盡量流向倉(cāng)部，進(jìn)而加深了倉(cāng)部深度，避免因飛邊太多冷卻過(guò)快影響鍛模打靠，圖2是設(shè)計(jì)的鍛模圖。

圖2 鍛模俯視圖及局部剖面

切邊模設(shè)計(jì)

鍛件切邊模采用切邊沖孔復(fù)合模設(shè)計(jì)，鍛件先切邊后沖孔，結(jié)構(gòu)如圖3所示。首先將帶飛邊的鍛件放置在切邊下模上，啟動(dòng)壓力機(jī)，滑塊帶動(dòng)切邊上模下行直至與鍛件接觸實(shí)現(xiàn)切邊，滑塊繼續(xù)下行，切邊上模推動(dòng)鍛件下行與沖頭接觸并實(shí)現(xiàn)沖孔，滑塊及切邊上模到達(dá)下死點(diǎn)后回程，滑塊帶動(dòng)固定在其上的拉桿向上運(yùn)動(dòng)。拉桿帶動(dòng)托件盤(pán)及鍛件從下模出來(lái)。從而實(shí)現(xiàn)切邊沖孔兩個(gè)過(guò)程，該過(guò)程操作方便、高效。

圖3 切邊沖孔復(fù)合模

生產(chǎn)試制

工藝參數(shù)確定

根據(jù)工藝分析之初設(shè)定的下料重為鍛件重加15%材料消耗，擬定3種規(guī)格進(jìn)行試制，下料重分別為310kg、315kg、320kg。由于坯料是在10t錘平板模上鐓粗，鐓粗勢(shì)必要考慮坯料不得發(fā)生歪斜，因此選擇坯料規(guī)格為φ330mm，鐓粗后坯料直徑在550mm左右，保證過(guò)多坯料不被打到倉(cāng)部，同時(shí)保證金屬不至于過(guò)小而回流。鐓粗后高度保持在（180±10）mm，比較利于齒輪上下面的充型。

試生產(chǎn)

設(shè)備、工裝、工具全部準(zhǔn)備就位后進(jìn)行試生產(chǎn)，加熱爐設(shè)定溫度為1150℃，坯料溫度保透后進(jìn)行鍛造。坯料在10t電液錘上進(jìn)行鐓粗，先在坯料上下端撒濕鋸末。當(dāng)鍛錘與坯料接觸后燃燒的鋸末在間隙內(nèi)產(chǎn)生的高溫氣體將表面氧化皮去除，而坯料原表面的氧化皮則由自然變形去除。將鐓粗高度為（180±10）mm的坯料（圖4）用操作機(jī)夾持到16t錘上后進(jìn)行鍛造，輕擊定位后重?fù)翦懺斐尚?，直至鍛件各部位完全充滿型腔。鍛造完成后的鍛件用操作機(jī)平整擺放入切邊沖孔復(fù)合模中，進(jìn)行切邊沖孔。最后檢查鍛件表面質(zhì)量及充滿情況，同時(shí)檢查鍛件錯(cuò)移及厚度尺寸，符合要求后便可批量生產(chǎn)。

圖4 鐓粗坯料尺寸

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)試制驗(yàn)證三種下料規(guī)格的原材料，皆能實(shí)現(xiàn)齒輪轂的鍛造成形。但310kg的坯料飛邊偏小，一旦發(fā)生設(shè)備故障等意外因素有可能導(dǎo)致充型不滿。320kg的材料雖然充型效果較好但不利于降本增效，為了保持工藝的穩(wěn)定性及成本可控，因此摒棄了上述兩種規(guī)格，而選取315kg的坯料。

試制中有一個(gè)問(wèn)題較為突出，經(jīng)劃線檢查鍛件存在一定的錯(cuò)移，部分鍛件錯(cuò)移較大。雖不至于難以加工見(jiàn)光，但存在這方面的風(fēng)險(xiǎn)，在后面的生產(chǎn)中需要重點(diǎn)關(guān)注。

檢查鍛件厚度尺寸，普遍存在超厚現(xiàn)象，這在設(shè)計(jì)之初是預(yù)料到的，而且會(huì)出現(xiàn)個(gè)別鍛件厚度不均的現(xiàn)象。但考慮到是全加工件，超厚現(xiàn)象是可以接受的。若一味追求名義尺寸，在生產(chǎn)時(shí)再進(jìn)行多錘次鍛造也難以實(shí)現(xiàn)且對(duì)工裝壽命有不利影響。

結(jié)論

通過(guò)該齒輪轂工藝分析、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)全過(guò)程的監(jiān)控，對(duì)于發(fā)生上述問(wèn)題的主要原因如下：

⑴鍛件錯(cuò)移是由于在打擊過(guò)程中由于沖擊，錘頭有晃動(dòng)導(dǎo)致錯(cuò)移。同時(shí)觀察飛邊發(fā)現(xiàn)與鐓粗料未能擺到終鍛模膛正中有一定關(guān)系，坯料不均造成錘頭發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在擊打過(guò)程中累積成錯(cuò)移。

⑵鍛件厚度未能打靠，一是由于設(shè)備打擊力略小，由于齒輪盤(pán)較薄在擊打到后期時(shí)，齒輪盤(pán)冷卻速度快，無(wú)論如何打擊金屬也難以流出，致使大量金屬留在模膛，鍛件難以打靠。二是要控制好生產(chǎn)節(jié)拍，生產(chǎn)過(guò)程中不要有附加的時(shí)間耽誤，鐓粗之后快速將坯料轉(zhuǎn)移至終鍛模膛，避免溫度的流失。

⑶綜上所述，通過(guò)對(duì)該類(lèi)鍛件的全過(guò)程分析及研究為該類(lèi)鍛件的生產(chǎn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為今后類(lèi)似產(chǎn)品的生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。