盤類零件閉塞鍛造淺析

文／孟江濤·洛陽華冠齒輪股份有限公司

盤類零件閉塞鍛造淺析

文／孟江濤·洛陽華冠齒輪股份有限公司

鍛造行業(yè)早已進(jìn)入微利時(shí)代。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的不斷創(chuàng)新及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，提高鍛件的質(zhì)量及減小后續(xù)機(jī)加工余量，已引起越來越多企業(yè)的重視。只有提高鍛件的材料利用率，才能減少原材料的消耗，進(jìn)而減少加熱時(shí)的電耗及后續(xù)鍛件機(jī)加工時(shí)的刀具消耗，提高機(jī)加工效率，減少人力成本等，通過上述各種措施，降低各項(xiàng)制造成本，企業(yè)才能在殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中煥發(fā)生機(jī)并健康發(fā)展。

洛陽華冠齒輪股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“華冠公司”）是生產(chǎn)汽車、農(nóng)用車及裝載機(jī)用差速器直齒錐齒輪及變速箱齒輪的專業(yè)廠家，已有二十余年的發(fā)展歷史。其生產(chǎn)流程涵蓋了原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)、模具加工、精密近凈成形、機(jī)加工、熱處理及熱后精加工和成品各項(xiàng)檢測(cè)等全過程。隨著經(jīng)營(yíng)產(chǎn)品范圍的擴(kuò)展，華冠公司最近數(shù)年加大了軸間差速器主、從動(dòng)外斜齒圓柱齒輪的開發(fā)力度，應(yīng)終端用戶的要求，又逐漸開發(fā)了非齒輪類傳動(dòng)件，即固定、滑動(dòng)嚙合套。

直齒錐齒輪的精密鍛造，目前不管是采用一火兩鍛還是兩火兩鍛或熱、溫鍛結(jié)合，受其零件結(jié)構(gòu)的限制，均采用的是開式鍛造，即鍛造時(shí)出現(xiàn)橫向飛邊。開式鍛造一鍛時(shí)鍛件容易出現(xiàn)橫向飛邊，其上下模同軸度不易保證，使得最終以下模成形部分為基準(zhǔn)檢測(cè)上模成形部分的徑向跳動(dòng)，造成散差很大，而外圓的機(jī)加工余量就必須以最大散差為設(shè)計(jì)依據(jù)，造成鍛件徑向機(jī)加工余量較大，浪費(fèi)材料，降低機(jī)加工效率。另外當(dāng)進(jìn)行二鍛時(shí)，一鍛時(shí)的飛邊溫度已降的較低，再次鍛造時(shí)飛邊部分的金屬不易流動(dòng)延伸，致使鍛件不易鍛造到位，影響鍛件的充滿程度和最終厚度，進(jìn)而影響鍛件的齒形精度，鍛件各部分余量也不易控制，造成浪費(fèi)極大。針對(duì)盤類零件（軸間差速器主、從動(dòng)外斜齒圓柱齒輪）的鍛件，華冠公司科研人員認(rèn)真分析開式鍛造的弊端，在開式鍛造基礎(chǔ)上，探索出一種介于開式和閉式之間的特殊鍛造方式，即閉塞鍛造。

閉塞鍛造亦即經(jīng)過加熱到一定范圍內(nèi)的坯料，在一個(gè)由半封閉到封閉的變化型腔中鍛造成形的過程。經(jīng)過一年有余各種產(chǎn)品的多次試驗(yàn)、摸索，跟蹤和調(diào)整摩擦壓力機(jī)導(dǎo)軌與滑塊、模架的導(dǎo)模與應(yīng)力圈、上模與下模套之間的間隙，成功的將該工藝用于大批量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了軸間差速器主、從動(dòng)外斜齒圓柱齒輪、變速箱齒輪、各種嚙合套的無飛邊鍛造。整個(gè)成形過程中，對(duì)上下模具中心線的錯(cuò)移量要求很嚴(yán)格（一般錯(cuò)移量控制在0.15mm以內(nèi)為宜），由此就必須對(duì)壓力機(jī)導(dǎo)軌與滑塊之間的間隙嚴(yán)格控制（一般控制在0.06～0.10mm范圍內(nèi)），此間隙過大時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成上、下模具中心錯(cuò)移量過大，超出了理論設(shè)計(jì)的上模與下模腔壁之間的間隙，最終會(huì)造成鍛造時(shí)的“咬?！爆F(xiàn)象，損壞上模和下模腔壁；壓力機(jī)導(dǎo)軌與滑塊之間的間隙過小時(shí)，會(huì)造成導(dǎo)軌與滑塊之間摩擦力過大，不僅造成導(dǎo)軌與滑塊磨損過快，還會(huì)抵消壓力機(jī)的部分打擊力。另外進(jìn)行閉塞鍛造時(shí)，必須使用與之相配套的高精度導(dǎo)柱導(dǎo)套模架或特殊結(jié)構(gòu)的自定位模架，使得設(shè)備在最佳導(dǎo)向間隙和模架雙重管控下，確保上下模具中心線錯(cuò)移量小于0.15mm。由此就要求設(shè)計(jì)模具型腔時(shí)，必須保證使用時(shí)壓配裝好的上模、下模腔導(dǎo)向壁間的徑向單邊間隙控制在0.15mm以內(nèi)，確保即將最終成形時(shí)，上模外徑順利導(dǎo)入下模內(nèi)型腔中并繼續(xù)下壓成形，這樣鍛出的零件，即便因鋸切或剪切的料塊出現(xiàn)端面傾斜度，但只要其傾斜度小于5°，也不會(huì)影響鍛件的充滿程度，另外只要控制最終成形時(shí)鍛坯的溫度在850～980℃之間，鍛件基本上也不會(huì)出現(xiàn)縱向毛刺，這樣就可以很好的控制鍛件的徑向余量，最佳時(shí)可以控制在1mm以內(nèi)。其厚度公差是靠以下各因素控制的，只要下料重量穩(wěn)定，加熱溫度范圍恒定，設(shè)備打擊力一定，模具型腔在一定的磨損范圍內(nèi)，鍛件的厚度是很容易保證的。

圖1 主動(dòng)外斜齒圓柱齒輪毛坯閉塞鍛造模具總裝圖

圖1所示為軸間差速器主動(dòng)外斜齒圓柱齒輪毛坯閉塞鍛造時(shí)的終鍛模具總裝圖。該產(chǎn)品因其結(jié)構(gòu)的特殊性：一端是漸開線直齒錐齒齒形，經(jīng)凈成形精密鍛造后，錐齒齒面不再經(jīng)任何去材加工，直接作為后續(xù)機(jī)加工工序的定位基準(zhǔn)，并經(jīng)熱處理、拋丸后作為承載面?zhèn)鬟f扭矩和載荷；另一端是端面嚙合齒，可凈成形精密鍛造，也可后續(xù)機(jī)加工銑齒成形，其輪輻槽不再加工；外圓柱面經(jīng)后續(xù)車削加工后，要經(jīng)過滾、磨齒工序，即最終的外斜齒圓柱齒輪?；谏鲜鎏厥饨Y(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)輪輻槽免車削加工，就必須保證鍛件輪輻槽中心線與另一端錐齒輪中心線的同軸度，達(dá)到圖紙所要求的0.3mm以內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)指標(biāo)及鍛件的特殊要求，除此模架結(jié)構(gòu)在使用過程中要定期檢測(cè)壓力機(jī)導(dǎo)軌與滑塊之間的間隙，始終確保其間隙不得大于0.1mm外，還要充分策劃模架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的導(dǎo)模和應(yīng)力圈之間的徑向單邊間隙，宜控制在0.1mm以內(nèi)；設(shè)計(jì)的上模和下模套之間的徑向單邊間隙，宜控制在0.15mm以內(nèi)；這樣才能確保閉塞鍛造過程中，上、下模具中心線錯(cuò)移量小于0.15mm，使得最終的鍛件達(dá)到輪輻槽免車的效果，外圓柱面的機(jī)加工余量也可以減小到1mm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了近凈成形鍛造。通過閉塞鍛造，節(jié)約了大量的原材料，降低了加熱時(shí)的電耗，提高了機(jī)加工時(shí)的生產(chǎn)效率，降低了機(jī)加工時(shí)的電耗和各種物耗。其鍛造成形后鍛件如圖2所示。

圖2 主動(dòng)外斜齒圓柱齒輪終鍛件

圖3所示為軸間差速器從動(dòng)外斜齒圓柱齒輪或變速箱齒輪毛坯閉塞鍛造時(shí)的終鍛模具總裝圖。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品兩端的輪輻槽中心線的同軸度，在一定的公差范圍內(nèi)，利用開式鍛造也是很難確保的，因此也必須采用閉塞鍛造的方式來完美實(shí)現(xiàn)。其鍛造成形及沖孔后的鍛件如圖4所示。

圖3 從動(dòng)外斜齒圓柱齒輪毛坯閉塞鍛造模具總裝圖

圖4 從動(dòng)外斜齒圓柱齒輪終鍛件及沖孔后鍛件

另外，嚙合套也是載重貨車車橋差速機(jī)構(gòu)的重要傳動(dòng)零件之一。華冠公司受國(guó)內(nèi)某大型車橋公司的委托，對(duì)售后市場(chǎng)上某后橋嚙合套的大量損壞件進(jìn)行分析并做技術(shù)改進(jìn)，以扼制售后市場(chǎng)的巨額索賠趨勢(shì)。華冠公司接受此改進(jìn)提升項(xiàng)目后，即成立技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目組，科研人員通過走訪售后服務(wù)站，對(duì)大量損壞件認(rèn)真觀察，發(fā)現(xiàn)主要損壞狀態(tài)為端齒掉塊、打齒，即對(duì)損壞件進(jìn)行剖檢和結(jié)構(gòu)分析，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)比對(duì)，認(rèn)為該型嚙合套端齒強(qiáng)度不足，造成最終端齒掉塊、打齒。技術(shù)人員通過認(rèn)真討論后，一致認(rèn)為若一味通過增大尺寸來提高端齒強(qiáng)度，因受裝配空間所限及牽涉改動(dòng)零件較多，難以得到有效改觀。但通過觀察舊件和詢問車橋公司技術(shù)、質(zhì)檢人員，發(fā)現(xiàn)所有配套供應(yīng)的嚙合套產(chǎn)品均為傳統(tǒng)切削工藝加工而成，即：下料→鍛造制坯→車加工內(nèi)孔及外輪廓→拉花鍵→銑削端齒→滲碳淬火熱處理→拋丸→包裝入庫(kù)?；谝陨蠣顩r，華冠公司技術(shù)人員大膽創(chuàng)新、嘗試，通過改進(jìn)制齒方式來提高端齒強(qiáng)度，即嚙合套端齒的凈成形閉塞鍛造。

該項(xiàng)目的主要內(nèi)容即為：通過精密模鍛兩次鍛造，實(shí)現(xiàn)端齒的凈成形，使得后續(xù)機(jī)加工過程中，端齒不再被切削，避免金屬流線被切斷，根除常規(guī)銑削加工端齒時(shí)底部圓角過小，在滲碳淬火熱處理時(shí)的應(yīng)力集中，同時(shí)更有利于保證各端齒的位置度。采用端齒凈成形鍛造，再后續(xù)加工的工藝，即：下料→一火兩鍛鍛端齒凈成形毛坯(鍛件如圖5所示)→以齒定位車加工內(nèi)孔及外輪廓→拉花鍵→熱處理→拋丸→包裝入庫(kù)。

圖5 一火兩鍛鍛端齒凈成形毛坯

通過端齒的凈成形閉塞鍛造，不僅使金屬組織更加致密，更重要的是熱態(tài)金屬在模具型腔成形時(shí)，隨型腔生成了固定的金屬流線，遠(yuǎn)不同于端齒銑削加工時(shí)切斷了金屬流線，大大增強(qiáng)了端齒的強(qiáng)度，嚙合套的使用壽命得到極大提高。通過數(shù)年來對(duì)售后市場(chǎng)的跟蹤、統(tǒng)計(jì)，凈成形閉塞鍛造的嚙合套幾無損壞。在華冠公司改進(jìn)嚙合套端齒成形方式之前，國(guó)內(nèi)嚙合套的加工均為傳統(tǒng)切削加工工藝，其凈成形鍛造為華冠公司獨(dú)創(chuàng)并推廣，現(xiàn)已開發(fā)出凈成形各種嚙合套二十余種，月生產(chǎn)各種中、后橋固定、滑動(dòng)嚙合套萬余件。市場(chǎng)份額逐月擴(kuò)大，用戶需求量急劇上升，大有供不應(yīng)求趨勢(shì)，深得用戶的信賴和美譽(yù)。

華冠公司自推行閉塞鍛造以來，同種產(chǎn)品鍛件相對(duì)于開式鍛造，每件節(jié)材0.9～1.8kg，節(jié)材率達(dá)6%～12%，每月生產(chǎn)閉塞鍛件均達(dá)數(shù)萬件之多，達(dá)到了節(jié)材、降耗、提效的目的，總體創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

總之，在科技創(chuàng)新的道路上，技術(shù)改進(jìn)永無止境。只要我們鍛造人，潛心于科研、潛心于實(shí)踐，以踏實(shí)肯干的工匠精神（追求卓越的創(chuàng)造精神、精益求精的品質(zhì)精神、用戶至上的服務(wù)精神），不忘初心，深耕細(xì)作于鍛造行業(yè)這塊廣袤的沃土上，中國(guó)工業(yè)由制造大國(guó)走向制造強(qiáng)國(guó)一定指日可待。