半軸直齒錐齒輪安裝面上油槽的凈成形鍛造

文/孟江濤·洛陽(yáng)華冠齒輪股份有限公司

差速器行星、半軸直齒錐齒輪是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，無(wú)論車輛的雙級(jí)橋還是單級(jí)橋，其內(nèi)部差減總成中都有一套差速器行星、半軸直齒錐齒輪，在傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

為了確保差速器直齒錐齒輪在嚙合傳動(dòng)過程中，處于良好的工作狀態(tài)，其齒輪的安裝面與差殼內(nèi)的易損件——墊片之間的潤(rùn)滑就顯得極為重要。在往年的新產(chǎn)品開發(fā)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些按照常規(guī)思路和常規(guī)工藝，不能優(yōu)質(zhì)高效實(shí)現(xiàn)圖紙要求的結(jié)構(gòu)或尺寸，因此需要利用創(chuàng)新的思維，另辟蹊徑來保證圖紙的結(jié)構(gòu)和尺寸，達(dá)到實(shí)物的功能要求。

工藝對(duì)比

商用重載車部分橋型的差減總成中，有幾種與差速器行星齒輪相嚙合的特殊半軸直齒錐齒輪結(jié)構(gòu)。安裝基準(zhǔn)面上的蝴蝶形油槽結(jié)構(gòu)（圖1），按照常規(guī)機(jī)加工工藝是很難實(shí)現(xiàn)的，只有通過特殊工藝，要么利用數(shù)控銑按照三維造型所生成的程序銑削加工，要么通過電腐蝕方法采用電火花機(jī)床使用紫銅電極電蝕加工，這兩種加工方法效率低、成本高，在企業(yè)內(nèi)大批量生產(chǎn)時(shí)極不適宜。

圖2所示的雙曲線油槽結(jié)構(gòu)，按照常規(guī)機(jī)加工藝是能夠通過車加工實(shí)現(xiàn)的，但需要設(shè)計(jì)、制作特殊工裝夾具，通過手動(dòng)方式裝夾、緊固，車削完一條油槽后，需要拆卸、換向，車削另一條油槽。盡管技術(shù)人員，經(jīng)過認(rèn)真思考和研討，設(shè)計(jì)的工裝可一次性裝夾五、六件，但這僅節(jié)省了機(jī)加工時(shí)間，而輔助時(shí)間所占比例較大，效率仍然很低。另外，這兩種結(jié)構(gòu)半軸齒輪的外圓上均有兩對(duì)稱扁，且此扁與安裝面上的油槽均有相對(duì)位置約束，按照傳統(tǒng)工藝是先在臥式銑床上，利用錐齒齒形定位，銑削兩扁，然后再在電火花機(jī)床和車床上，腐蝕和車加工蝴蝶形和雙曲線油槽，這樣加工油槽前裝夾工件時(shí)，就要特別注意銑扁位置的固定性，否則將會(huì)出現(xiàn)油槽和外圓扁的錯(cuò)位，造成廢品。

創(chuàng)新工藝

軸頸上外圓扁及與之垂直端面上雙曲線油槽的凈成形鍛造，就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種效率高、節(jié)約原材料、刀具消耗少、降低制造成本的最優(yōu)化工藝方法。前述的半軸齒輪軸頸外圓扁及端面蝴蝶形油槽或雙曲線油槽的結(jié)構(gòu)，即為該工藝方法運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)的案例。

圖1 安裝基準(zhǔn)面上蝴蝶形油槽結(jié)構(gòu)

圖2 雙曲線油槽結(jié)構(gòu)

凈成形鍛造方法

半軸齒輪軸頸外圓扁及端面雙曲線油槽近凈成形鍛造方法，是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

⑴根據(jù)差速器半軸齒輪產(chǎn)品圖紙及結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙尺寸（特別是外圓扁及端面雙曲線油槽尺寸），利用三維軟件對(duì)零件圖進(jìn)行三維實(shí)體造型，生成冷態(tài)的零件三維實(shí)體。

⑵結(jié)合鍛造條件及機(jī)加工情況，在外圓及安裝基準(zhǔn)面上預(yù)留適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工余量，參考被鍛造材料的膨脹系數(shù)及鍛造溫度，計(jì)算出所需鍛造溫度下的收縮率，對(duì)冷態(tài)的零件三維實(shí)體鍛件進(jìn)行膨脹，生成熱態(tài)的實(shí)體鍛件，然后由熱態(tài)實(shí)體鍛件轉(zhuǎn)生成熱態(tài)專用下凹模實(shí)體造型（圖3）。

⑶將熱態(tài)專用下凹模實(shí)體造型編程后在數(shù)控銑上，熱處理前先粗銑加工型腔，熱處理后再精銑加工型腔，至此熱態(tài)專用下凹模已加工成形。

⑷將成形凹模以及下頂桿、上模墊板、上模套 、下模套、上齒形模安裝、緊固于鍛造設(shè)備上，分別校驗(yàn)粗鍛、精鍛上齒形模的齒槽和專用下凹模銑扁位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系一致，局部裝配圖如圖4所示。

圖3 熱態(tài)專用下凹模實(shí)體造型

圖4 局部裝配圖

待校驗(yàn)符合要求后，即對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱處理，待模具預(yù)熱至特定溫度范圍即可進(jìn)行鍛造。該凈成形鍛造工藝一般采用一次加熱，分粗鍛、精鍛兩次成形，最終完成鍛件的精密成形，粗鍛造時(shí)只是預(yù)成形，漸開線直齒錐齒充滿程度達(dá)到70%～80%即可。在鍛件總厚度上，一般不留下壓量，而在安裝基準(zhǔn)面即含有油槽的端面上，必須預(yù)留一定的下壓量，供二次精密成形時(shí)，有足夠的所需材料及金屬流動(dòng)空間，便于鍛件充填飽滿。

⑸將鋸切合格的棒料段置于中頻感應(yīng)加熱爐中，根據(jù)棒料規(guī)格調(diào)整進(jìn)料頻率，將加熱至所需鍛造溫度的料塊先置于粗鍛生產(chǎn)線的下凹模中，啟動(dòng)已調(diào)節(jié)好打擊力的鍛造設(shè)備，對(duì)料塊進(jìn)行一次性打擊，然后在設(shè)備上滑塊回升的過程中，啟動(dòng)頂料裝置，使得粗鍛半軸齒輪熱態(tài)鍛件及時(shí)被頂桿頂出下模腔，利用人工或機(jī)械手取走粗鍛半軸齒輪熱態(tài)鍛件。

⑹將粗鍛半軸齒輪熱態(tài)鍛件置于精鍛生產(chǎn)線的下凹模型腔中，啟動(dòng)已調(diào)節(jié)好打擊力的鍛造設(shè)備，對(duì)粗鍛半軸齒輪熱態(tài)鍛件進(jìn)行二次打擊，然后在設(shè)備上滑塊回升的過程中，啟動(dòng)頂料裝置，使得半軸齒輪精鍛件及時(shí)被頂桿頂出下模腔，利用人工或機(jī)械手取走鍛造完成的差速器半軸齒輪熱態(tài)鍛件，最終冷卻后的精密鍛件如圖5所示。

圖5 最終冷卻后的精密鍛件

此精密鍛件，只要下料尺寸或重量嚴(yán)格控制，鍛造時(shí)加熱溫度和打擊力恒定不變，其安裝基準(zhǔn)面上的機(jī)加工余量就可以穩(wěn)定地控制在0.3～0.5mm范圍內(nèi)，總厚余量也可以精確控制，這樣就可以通過調(diào)整凹模型腔內(nèi)雙曲線凸臺(tái)的高度，來達(dá)到最終半軸齒輪端面雙曲線油槽的尺寸。

結(jié)束語(yǔ)

半軸齒輪軸頸外圓扁及端面雙曲線油槽近凈成形鍛造方法的大力推廣和運(yùn)用，不僅節(jié)約原材料，還大大提高了機(jī)加工效率，降低了各種刀具消耗，為企業(yè)創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。該模具結(jié)構(gòu)已被授權(quán)實(shí)用新型專利，該工藝方法已被授權(quán)發(fā)明專利。