精化齒坯熱鍛工藝淺析

江叔通（南昌齒輪有限責(zé)任公司，江西 南昌 330044）

精化齒坯熱鍛工藝淺析

江叔通
（南昌齒輪有限責(zé)任公司，江西 南昌 330044）

齒坯閉式模鍛鍛件分精密級(jí)和普通級(jí)，但國家標(biāo)準(zhǔn)定義的精密級(jí)鍛件留有單邊加工余量，仍需進(jìn)行粗車和精車。在精密鍛造基礎(chǔ)上，研究精化齒坯熱鍛工藝，以進(jìn)一步提高鍛件精度等級(jí)，達(dá)到減少單邊加工余量，進(jìn)而使精化齒坯直接用于精車。本文對(duì)精化齒坯熱鍛工藝進(jìn)行了定義，并明確該工藝單邊加工余量的范圍。因制坯和預(yù)鍛是決定精化齒坯熱鍛工藝質(zhì)量的關(guān)鍵，因此對(duì)其工藝流程和工藝重點(diǎn)進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)滿足該工藝的設(shè)備和模座進(jìn)行了論述。

熱鍛工藝；精化齒坯；精密級(jí)；加工余量

齒坯是制造齒輪用的圓形毛坯，經(jīng)過粗車和精車，再經(jīng)機(jī)械加工出齒形（滾齒或銑齒）和其他所要求的形狀后成為齒輪成品。對(duì)于需求量大的齒坯，需采用高精度、高效率的工藝方法生產(chǎn)，一般采用的是模鍛工藝，齒坯模鍛工藝[1]有開式模鍛和閉式模鍛兩種。開式模鍛工藝的缺點(diǎn)是由于存在飛邊而造成材料利用率低，齒坯閉式模鍛工藝是針對(duì)開式模鍛的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一種工藝，優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生飛邊，減少了加工余量和拔模斜度，進(jìn)而提高了材料利用率；但該工藝增加了鍛造工藝難度，模具結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，同時(shí)對(duì)下料重量的偏差提高了要求。

齒坯閉式模鍛的鍛件分精密級(jí)和普通級(jí)，鍛件圖根據(jù)GB/T 12362-2003標(biāo)準(zhǔn)[2]中精密級(jí)設(shè)計(jì)鍛件公差和加工余量，以某個(gè)鍛件質(zhì)量為1.78kg的齒坯為例，零件表面粗糙度參數(shù)Ra=1.6μm，形狀復(fù)雜系數(shù)S2，最大外徑覬115mm，獲得該鍛件的余量標(biāo)準(zhǔn)是厚度和外徑方向的單邊余量都為1.7mm~2.2mm，公差為1.8mm。隨著汽車市場競爭的激烈程度日益加劇，很多變速箱總成廠家會(huì)在齒坯精密鍛造基礎(chǔ)上進(jìn)行齒坯精化工作，即進(jìn)一步減少單邊加工余量和壓縮鍛件公差尺寸，以提高材料利用率和省去粗車工序。

國內(nèi)對(duì)齒坯類的產(chǎn)品精密鍛造方面和加工余量有如下研究。蔣鵬[3]對(duì)汽車用齒坯的精密鍛造技術(shù)進(jìn)行了論述，其中高速熱鐓鍛技術(shù)中描述鍛件留的單邊加工余量為1mm或以上。張軍[4]等對(duì)精鍛齒坯工藝在JC系列鍛造壓力機(jī)上的生產(chǎn)應(yīng)用中闡述了毛坯的加工余量為粗加工尺寸上留單面1mm的加工余量。張寶林[5]對(duì)在摩擦壓力機(jī)上的無飛邊精鍛齒坯下料重量的控制進(jìn)行了論述，文章中展示的鍛件圖說明覬179mm的外徑尺寸單邊加工余量2.8mm，38mm厚度單邊加工余量為2.5mm，說明該鍛件為閉式模鍛精密齒坯。何樹國等[6]分析了等溫成形、溫?cái)D壓等毛坯精化技術(shù)在輕武器行業(yè)的應(yīng)用，但尺寸精化到具體程度未有具體敘述。胡亞民等[7]論述了發(fā)展摩擦壓力機(jī)模鍛是精化鍛造毛坯的重要方向，其中摩擦壓力機(jī)上鍛造的毛坯精度可達(dá)到精密級(jí)。

綜上所述，國內(nèi)在齒坯精密鍛造方面有較多研究，但對(duì)精密鍛造時(shí)給予加工余量是多少算是精化齒坯未給予明確的論述。為此，本文對(duì)精化齒坯的界定和實(shí)現(xiàn)精化齒坯熱鍛工藝進(jìn)行論述。

1 精化齒坯概述

文獻(xiàn)[8]中精密鍛件（close tolerance forging）定義為尺寸公差比普通精度鍛件小的鍛件，只是在尺寸公差上要求提高了，加工余量與普通級(jí)鍛件一樣。文獻(xiàn)[9]中鋼質(zhì)精密熱模鍛件（steel precision hot forg－ings）定義為在熱鍛工藝溫度范圍內(nèi)，通過高精度模具、專用模架及設(shè)備獲得高尺寸精度，并滿足質(zhì)量公差要求的熱模鍛件，相對(duì)于文獻(xiàn)[2]，只是公差方面進(jìn)行了提高（1.1mm），但加工余量未做論述。文獻(xiàn)[1]中介紹使用高速熱鐓鍛機(jī)鍛造齒坯，直徑在覬165mm以內(nèi)的加工余量為外徑單邊余量為0.6mm~1mm，厚度單邊余量為1mm，公差為±0.5mm，此加工余量相對(duì)于文獻(xiàn)[2]的減少約1.1~1.2mm。

現(xiàn)有的精密熱模鍛鍛件較為普遍的車工序工藝流程為粗車（單邊加工余量1.2mm~1.5mm）+精車（單邊加工余量0.5mm~0.6mm），總的單邊加工余量為1.7mm~2.1mm。精化齒坯是在齒坯精密鍛造的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減少單邊機(jī)械加工余量和提高鍛件公差等級(jí)，達(dá)到齒坯無需經(jīng)過粗車，而是直接精車成形。精化齒坯相對(duì)于精密熱模鍛件齒坯的加工余量，規(guī)定為多少程度方能達(dá)到最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。齒坯直接精車過程，第一道工序的定位面為下模成形的底端面和外徑，夾持的端面留固定的余量，加工端面和內(nèi)孔，之后以內(nèi)孔和端面定位，將剩余的尺寸加工完成。由于第一道工序的夾持面在下模，外徑和下端的圓角最難填充，故該圓角大小決定加工余量，在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于鍛件外徑在覬150mm以內(nèi)的，圓角大小不得小于2mm（倒角尺寸以C0.5mm計(jì)算），折算出單邊余量不得小于0.8mm。另鍛造后鍛件需等溫正火，氧化皮的厚度約為0.1mm，在精車過程中，考慮鍛件的表面缺陷、填充性、鍛件的端面平行度和機(jī)床裝夾的跳動(dòng)等因素，至少需要留有0.7mm的單邊余量。精車時(shí)加工處無毛坯面，故外圓和端面最經(jīng)濟(jì)的精車余量為單邊0.8mm。上模成形的余量由于要考慮錯(cuò)移和沖孔偏心等因素，經(jīng)濟(jì)的單邊余量為1.2mm~1.5mm。

精化齒坯可定義為在精密鍛造基礎(chǔ)上，提高鍛造精度等級(jí)以達(dá)到減少單邊加工余量和提升鍛件公差等級(jí)，使精化齒坯可精車成形的目的。齒坯單邊經(jīng)濟(jì)加工余量為0.8mm~1.2mm，上模成形的經(jīng)濟(jì)加工余量為1.2mm~1.5mm，齒坯的材料利用率相對(duì)于精密鍛造的要提高6%~10.5%。圖1和圖2分別為RT50變速箱二軸一檔齒輪的精密鍛造和精化齒坯鍛件圖，從圖中可知，精化毛坯的尺寸公差較精密鍛造的要嚴(yán)格，單邊加工余量要大為減少，沖孔精度要高。

圖1 精密鍛造鍛件圖

圖2 精化齒坯鍛件圖

2 精化齒坯鍛造工藝設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)鍛件時(shí)[10-11]，僅需按精車的尺寸上單邊留0.8mm~1.2mm加工余量、錯(cuò)移在0.3mm以內(nèi)和拔模斜度為1°即可，在保證加工余量的前提下，將鍛件各邊緣的圓角設(shè)計(jì)得盡可能的大些，這樣可以降低設(shè)備的打擊力和提高模具的壽命。為了減少大的縱向飛邊產(chǎn)生的概率和提高模具壽命，必須設(shè)計(jì)預(yù)鍛，故工藝流程為：精密剪床下料-中頻感應(yīng)爐加熱-制坯（鐓粗）-預(yù)鍛-終鍛-沖孔。

根據(jù)鍛件的各尺寸計(jì)算出下料重，后選擇棒料的直徑及剪切的長度，長徑比控制在1.3~1.8，同時(shí)要盡可能使棒料在鐓粗時(shí)高度壓縮1/2以上，這樣可使坯料上因感應(yīng)加熱而產(chǎn)生的氧化皮基本去除，從而使氧化皮不會(huì)積攢在預(yù)鍛型腔中以致拉傷模具。鐓粗坯和預(yù)鍛坯決定著精化齒坯鍛造工藝的質(zhì)量，鐓粗時(shí)必須控制厚度尺寸，鐓粗后的坯料能夠均勻地放置在預(yù)鍛型腔內(nèi)，否則易產(chǎn)生較大的縱向飛邊。

在預(yù)鍛時(shí)，上模芯先與坯料接觸，實(shí)際過程中，鐓粗坯與預(yù)鍛上模芯垂直的概率很低，若傾斜角度大于8°，鍛件終鍛時(shí)一端則會(huì)產(chǎn)生較大的縱向飛邊，另外一端則會(huì)充不滿。因此，預(yù)鍛時(shí)需要有很好的導(dǎo)向行程，在鐓粗坯與預(yù)鍛上模芯接觸之前，導(dǎo)向行程起作用。在設(shè)計(jì)時(shí)，要求預(yù)鍛坯在終鍛成形時(shí)，以鐓粗為主，故預(yù)鍛件的最大直徑要比最終成形模型腔的尺寸小0.5mm~1.5mm。鍛件完成終鍛成形后，需要沖孔，鍛件至沖孔時(shí)的溫度會(huì)降低，故在設(shè)計(jì)沖孔沖子尺寸時(shí)，所放的熱縮率要比設(shè)計(jì)熱鍛件時(shí)的熱縮率略小一些。若所生產(chǎn)的鍛件內(nèi)孔小于覬17mm，則可不考慮進(jìn)行沖孔。

3 實(shí)現(xiàn)精化齒坯鍛造工藝的設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)精化齒坯的熱鍛成形工藝，壓型設(shè)備必須具有以下3個(gè)特點(diǎn)：①設(shè)備具有頂出機(jī)構(gòu)，齒坯為圓形，結(jié)構(gòu)簡單、對(duì)稱，通常采用閉式模鍛，以使材料利用率最大化，頂出機(jī)構(gòu)可使外徑和內(nèi)孔的拔模角度從5°~7°減少至1°~2°；②設(shè)備必須控制鍛件的厚度尺寸，否則鍛件加工完后上模成形的油槽（若有）和輪輻的尺寸無法保證，因此設(shè)備的打擊行程必須能夠控制；③設(shè)備具有一定的抗偏載能力，可以滿足多工位鍛造工藝。

鍛造齒坯的設(shè)備通常使用螺旋壓力機(jī)或機(jī)械壓力機(jī)。螺旋壓力機(jī)在工作過程中帶有一定的沖擊作用，滑塊行程不固定，但它又是通過螺旋副傳遞能量的，當(dāng)坯料發(fā)生塑性變形時(shí)，滑塊和工作臺(tái)之間所受的力，由壓力機(jī)封閉框架所承受，并形成一個(gè)封閉式的力系，另設(shè)備的導(dǎo)向性較好，可實(shí)施多工位鍛造。因其滑塊行程不固定，無法有效控制鍛件的厚度尺寸，故也不選擇使用螺旋壓力機(jī)。

機(jī)械壓力機(jī)是通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)坯料進(jìn)行成形加工的鍛壓機(jī)械，適用于自動(dòng)化高效率生產(chǎn)。其具有的載荷為靜壓力，變形力由機(jī)架本身承受，滑塊行程固定，導(dǎo)向良好，承受偏置的能力強(qiáng)，并且有上、下頂出裝置。在機(jī)械壓力機(jī)上可實(shí)現(xiàn)精化齒坯熱鍛工藝，若齒坯外徑（≤覬100mm）較小，可使用較為經(jīng)濟(jì)的閉式單點(diǎn)壓力機(jī)或鍛造壓力機(jī)。

4 模座結(jié)構(gòu)方式

由于精化齒坯的鍛件精度要高于精密鍛造，鍛件質(zhì)量的狀況由設(shè)備、模具和模座決定。設(shè)計(jì)一種多工位模座，如圖3所示。要考慮制坯和預(yù)鍛合理成形的同時(shí)，也要考慮預(yù)鍛和終鍛模具翻新。

圖3 精化齒坯鍛造工藝所用的模座圖

4.1 模座結(jié)構(gòu)形式

多工位模座有制坯、預(yù)鍛、終鍛和沖孔4個(gè)工位。因制坯（鐓粗）的質(zhì)量影響后續(xù)工位的成形，設(shè)計(jì)可調(diào)的結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同產(chǎn)品的制坯高度，將鐓粗后的坯料厚度控制在要求范圍內(nèi)，放入預(yù)鍛模具中，不產(chǎn)生偏斜，進(jìn)而減少縱向飛邊產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。上平臺(tái)與模座連接方式為螺紋方式，調(diào)整好上平臺(tái)的位置，需要固定，若不固定，則會(huì)造成制坯過程中，制坯出現(xiàn)較大厚度偏差。預(yù)鍛時(shí)坯料如何在預(yù)鍛型腔內(nèi)均勻定位是關(guān)鍵，需在預(yù)鍛模套設(shè)計(jì)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。沖孔工位需要考慮的是沖子能順利將連皮沖掉，并且沖子不粘鍛件，需要較好的卸料裝置。

預(yù)鍛和終鍛模具使用分體式結(jié)構(gòu)，可以提高模具壽命，模芯等易損件更換方便，上下模的墊板配置不等厚度，模具下落翻新后裝配時(shí)需匹配對(duì)應(yīng)的墊板。

4.2 導(dǎo)向裝置

多工位模具會(huì)造成偏載，需要較好的導(dǎo)向裝置來控制錯(cuò)移[13-15]。壓型設(shè)備具有X型導(dǎo)軌，具有較好的定位導(dǎo)向。在模座上設(shè)計(jì)導(dǎo)柱、導(dǎo)套裝置，間隙為0.15mm~0.2mm，進(jìn)一步防止錯(cuò)移。預(yù)鍛時(shí)，鐓粗坯料放置于預(yù)鍛下模中，上模芯先于上模接觸坯料，若傾斜較大，上模芯則易偏斜。預(yù)鍛上模套和預(yù)鍛下模套設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝置，在坯料與上模芯接觸之前，上模套與下模套處于導(dǎo)向作用，可以較好地防止預(yù)鍛坯產(chǎn)生偏心。

4.3 主要零件的材料和熱處理硬度

上下模座、下模墊板、預(yù)鍛和終鍛的上下模套的材料為 5CrNiMo，上下模座的硬度要求為HRC36-40，下模鍛墊板和模套的硬度要求為HRC40-44。上模墊板的材料為45鋼，硬度要求為HRC40-44。導(dǎo)柱的材料為30CrMnTi，滲碳淬火的硬度要求為HRC52-56，導(dǎo)套材料為40Cr，硬度要求為HRC38-42。

5 結(jié)論

精化齒坯是在精密鍛造基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化的，提高鍛造精度等級(jí)以達(dá)到減少單邊加工余量和提升鍛件公差等級(jí)，使精化齒坯可精車成形。制坯和預(yù)鍛的質(zhì)量決定著該工藝，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)需尤其關(guān)注。固定的鐓粗高度能夠較好地控制坯料的直徑，預(yù)鍛模座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的導(dǎo)向裝置能夠較好地防止預(yù)鍛坯偏心。設(shè)備選擇能夠控制高度和抗偏載的機(jī)械壓力機(jī)。沖孔時(shí)，需防止鍛件粘沖子，應(yīng)對(duì)沖孔的模具設(shè)計(jì)卸料裝置。

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Analysis of hot forging process for precise gear blank

JIANG Shutong
（Nanchang Gear Co.,Ltd.,Nanchang 330044,Jiangxi China）

The hot forging process of precise gear blank has been defined in the text,and the scope of single side machining allowance has been cleared.As theprocess quality has been decided by upsetting and preforming blank,the technological process and key point have been analyzed.Meanwhile,the machine and die holder which can satisfy the process have been discussed.

Precision grade;Precise gear blank;Hot forging process;Machining allowance

TG312

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.022

1672-0121（2017）02-0074-04

2016-12-09；

2017-01-27

江叔通（1978-），男，工程師，從事鍛造工藝、機(jī)械加工及模具制造等研究。

E-mail：85696344@qq.com