連體式組合齒輪鍛件的工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

文／許善軍，李新軍，紀(jì)寶華，李云瑞，魏洪恩·山東溫嶺精鍛科技有限公司

就傳統(tǒng)的差速器總成而言，主動(dòng)螺旋錐齒輪帶動(dòng)從動(dòng)螺旋錐齒輪旋轉(zhuǎn)，順利完成第一級(jí)減速。同軸的主動(dòng)圓柱齒輪與從動(dòng)圓錐齒輪一起旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)從動(dòng)圓柱齒輪旋轉(zhuǎn)，順利完成第二級(jí)減速。從動(dòng)圓柱齒輪安裝于差速器外殼上，當(dāng)從動(dòng)圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過差速器和半軸傳遞，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，螺旋錐齒輪起著至關(guān)重要的作用，溫嶺精鍛生產(chǎn)的主要產(chǎn)品是主、被動(dòng)螺旋錐齒輪整套的精密鍛件，并已實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、規(guī)?；?、精益化的生產(chǎn)。

目前，我公司與某知名主機(jī)廠聯(lián)合研發(fā)的連體式組合齒輪鍛件，將傳統(tǒng)的鑄鍛六個(gè)組合零件分體式結(jié)構(gòu)優(yōu)化為整體式高強(qiáng)度精鍛連體結(jié)構(gòu)，有效推進(jìn)汽車零部件的輕量化，差速器外殼與從動(dòng)螺旋錐齒輪組合后，替代了傳統(tǒng)的差速器殼體的鑄造工藝，同時(shí)增加了差速器殼體的使用壽命。組合后的鍛件采用閉式模鍛的工藝，借助CAE 模擬輔助軟件，完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和優(yōu)化工藝，使模具壽命大幅提高，成形質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

工藝難點(diǎn)及解決措施

工藝難點(diǎn)

⑴鍛件復(fù)雜系數(shù)S ＝Mf/Mn，Mf為鍛件質(zhì)量(或體積)，Mn為鍛件外包容體質(zhì)量(或體積)，可知S=0.28，屬于S3 級(jí)較復(fù)雜件。

⑵圖1 為優(yōu)化前的連體式組合齒輪鍛件三維圖，此鍛件采用閉式模鍛成形工藝生產(chǎn)，由于鍛件形狀復(fù)雜，高度落差及截面變化相對(duì)較大，模具局部磨損嚴(yán)重，內(nèi)孔中的三個(gè)油槽及柄部臺(tái)階處的兩個(gè)拔馬槽為鍛造面，特別是內(nèi)孔上的三個(gè)油槽磨損更為嚴(yán)重，非常容易產(chǎn)生疲勞紋。

圖1 連體式組合齒輪鍛件三維圖(優(yōu)化前)

⑶三個(gè)油槽處由于高度落差大且形狀復(fù)雜，材料在擠壓過程中極易形成折疊。

解決措施

⑴加大油槽頂端圓弧和錐度，減小阻力，增強(qiáng)材料流動(dòng)性。

⑵將底端臺(tái)階式結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三角結(jié)構(gòu)，排除材料在擠壓過程中出現(xiàn)回流的現(xiàn)象。

⑶優(yōu)化各連接點(diǎn)的弧度，加強(qiáng)模具性能、提高壽命。圖2 為優(yōu)化后的連體式組合齒輪鍛件三維圖，通過CAE軟件的模擬分析，與客戶達(dá)成一致后進(jìn)行試制。

圖2 連體式組合齒輪鍛件三維圖(優(yōu)化后)

CAE 模擬結(jié)果分析

為驗(yàn)證產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性，項(xiàng)目組使用CAE軟件對(duì)鍛造過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析(表1)。

表1 模擬參數(shù)

為保證模擬結(jié)果的可比性，除上模的結(jié)構(gòu)有變化外，其余均采用相同的工藝參數(shù)。經(jīng)過兩次數(shù)值模擬，結(jié)果均成形良好，沒有發(fā)現(xiàn)缺肉現(xiàn)象，只是優(yōu)化前的鍛件結(jié)構(gòu)因?yàn)樯夏５娜齻€(gè)凸起首先與預(yù)制坯接觸，使油槽位置的底面部分首先成形，并在繼續(xù)下壓的過程中，預(yù)制坯的底部受到壓力的作用而開始向上方大外圓位置流動(dòng)。在這個(gè)過程中上模繼續(xù)下壓，使部分向油槽位置流動(dòng)的材料與向上方大外圓位置流動(dòng)的材料交匯，出現(xiàn)紊流現(xiàn)象并形成折疊(圖3)。

圖3 優(yōu)化前鍛造模擬結(jié)果

發(fā)生上述現(xiàn)象后，經(jīng)過項(xiàng)目組討論修改了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并且在模擬分析成功之后，與客戶進(jìn)行了協(xié)商。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鍛件在成形過程中，也是油槽位置先接觸成形，但是因?yàn)楦臑槿墙Y(jié)構(gòu)，此時(shí)金屬同時(shí)向齒輪和下方柄部流動(dòng)，油槽位置沒有形成對(duì)沖，所以鍛件成形良好且無(wú)鍛造缺陷產(chǎn)生(圖4)。

圖4 優(yōu)化后鍛造模擬結(jié)果

鍛造流程及工藝制定

設(shè)計(jì)的工藝路線為：下料→加熱→制坯→模鍛→沖孔→檢驗(yàn)。

采用的設(shè)備：下料采用圓盤鋸、加熱采用中頻爐、制坯采用油壓機(jī)、模鍛采用2500t 摩擦壓力機(jī)，最后采用沖床沖孔完成鍛件的制造。

工藝流程描述

下料：根據(jù)鍛件圖紙，通過精密計(jì)算、實(shí)體造型及有限元分析得出下料規(guī)格，適合采用φ120mm 的圓鋼生產(chǎn)，下料重量控制在±0.1kg 的公差范圍，經(jīng)小批生產(chǎn)驗(yàn)證，滿足生產(chǎn)需求并納入工藝。

加熱：20CrMnTi 的鍛造適宜溫度為1050 ～1200℃，終鍛溫度950℃。工藝定制采用中頻爐加熱，加熱節(jié)拍43 件／小時(shí)；采用光學(xué)高溫計(jì)抽檢并記錄，避免造成過燒或溫度過低；通過三分選將不符合要求的圓鋼回收處理。

制坯：生產(chǎn)前需要對(duì)制坯模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在150 ～300℃。坯料從中頻爐取出來(lái)后，由機(jī)械手夾持并轉(zhuǎn)移到油壓機(jī)工作臺(tái)，制坯過程中通過控制油壓機(jī)下壓的行程來(lái)確定制坯的厚度，從而保證制坯外徑大小合適，并符合模鍛型腔。

模鍛：生產(chǎn)前需要將模具溫度控制在150 ～300℃，根據(jù)模擬分析結(jié)果，可知打擊次數(shù)為1 次時(shí)，可以避免鍛件因多次打擊出現(xiàn)鍛造缺陷。由于鍛件的油槽位置為非加工面，務(wù)必每次在鍛造完成后用風(fēng)管對(duì)模腔進(jìn)行清理，然后噴上石墨進(jìn)行潤(rùn)滑。

沖孔：鍛件成形后，由機(jī)械手移至油壓沖床直至沖孔完成。為保證沖孔同軸度和沖孔毛邊均勻，需有效保證沖孔模具精度。

圖5、圖6 為兩種結(jié)構(gòu)的鍛件實(shí)物，由圖5 可見，鍛件的油槽上方與平面接觸的位置有明顯的折疊缺陷，圖6 則無(wú)任何缺陷。

圖5 優(yōu)化前鍛造成形結(jié)果

圖6 優(yōu)化后鍛造成形結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化后的鍛件成形良好無(wú)缺陷，不僅受到客戶的一致好評(píng)，而且優(yōu)化后模具的壽命顯著提高。同時(shí)，在鍛造工藝設(shè)計(jì)研發(fā)階段，對(duì)CAE 模擬軟件的應(yīng)用越來(lái)越多，工藝人員對(duì)其的依賴性也越來(lái)越大?？梢奀AE 模擬軟件已經(jīng)是不可缺少的輔助生產(chǎn)工具，大大縮短了試制的周期，減少了試制過程中的浪費(fèi)。