齒輪類零件(近)凈成形鍛造技術(shù)(下)

文/孟江濤，孟怡辰·洛陽福瑞可汽車零部件有限公司

齒輪輪輻槽凈成形及主孔、減重孔一次成形

齒輪后端齒及輪輻槽凈成形鍛造

軸間差速器主動(dòng)外斜齒圓柱齒輪，結(jié)構(gòu)特殊：一端是漸開線直齒錐齒齒形，一端是端齒且齒側(cè)倒錐(圖11)。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度很大，特別是另一端的帶有倒錐的端齒。國內(nèi)常規(guī)生產(chǎn)工藝是，直齒錐齒經(jīng)凈成形精密鍛造后，直接作為后續(xù)機(jī)加工工序的定位基準(zhǔn)，車削外輪廓及內(nèi)孔和相關(guān)尺寸。另一端的端面嚙合齒，有的呈放射狀直齒、有的呈圓弧形直齒，這些結(jié)構(gòu)均可通過數(shù)控銑加工來完成。但齒側(cè)含倒錐的端面齒，一般的銑削加工就難以實(shí)現(xiàn)，要么通過五軸數(shù)控銑加工，要么通過弧齒銑齒機(jī)及專用刀盤、刀齒加工，上述兩種加工方案，不僅設(shè)備投入大，而且加工效率也不高，企業(yè)難以承受巨高的加工成本，更難以滿足市場(chǎng)的需求。結(jié)合此產(chǎn)品特點(diǎn)及前期開發(fā)端面嚙合套的成功經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)人員經(jīng)過無數(shù)次探討及各種成形模擬方案，終于成功突破最終成形的壁壘，采用一端錐齒、另一端端面嚙合直齒，先一火兩鍛一次性成形，而后采取冷校正端面嚙合齒使之倒錐近似成形的方法，基本實(shí)現(xiàn)圖紙要求，滿足用戶需求。

圖11 外斜齒圓柱齒輪

在此鍛件毛坯進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，最重要的質(zhì)量控制指標(biāo)是，以錐齒為檢測(cè)基準(zhǔn)，控制后端結(jié)合齒的徑向跳動(dòng)在0.5mm 以內(nèi)，因此就需要設(shè)計(jì)、制作一種特殊的模具結(jié)構(gòu)——閉塞模具(圖12)，該模具結(jié)構(gòu)能使經(jīng)過加熱、預(yù)鍛的坯料，在一個(gè)由半封閉到封閉的變化型腔中鍛造成形。經(jīng)過一年有余的各種產(chǎn)品的多次試驗(yàn)、摸索及壓力機(jī)導(dǎo)軌與滑塊、模架的導(dǎo)柱與導(dǎo)套、模具各零件之間的裝配間隙跟蹤和調(diào)整，已經(jīng)成功運(yùn)用于大批量生產(chǎn)數(shù)年，實(shí)現(xiàn)了軸間差速器主、從動(dòng)外斜齒圓柱齒輪鍛坯、變速箱齒輪鍛坯、各種嚙合套的無飛邊鍛造。

圖12 閉塞模具結(jié)構(gòu)示意圖

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0.25mm 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0.10 ～0.15mm 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“咬模”現(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)向間隙和高精度模架雙重管控下，確保上下模具中心線錯(cuò)移量在0.25mm 以內(nèi)?？刂谱罱K成形時(shí)鍛坯的溫度在880 ～950℃之間，鍛件基本上也不會(huì)出現(xiàn)縱向毛刺，這樣就可以很好地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。熱態(tài)鍛件如圖13 所示，冷校正端面齒時(shí)，采取了特殊的熱鍛端齒型腔結(jié)構(gòu)和冷壓模具結(jié)構(gòu)，使端齒齒側(cè)倒錐近似實(shí)現(xiàn)。

圖13 錐齒、端齒及輪輻槽凈成形熱態(tài)鍛件

該工藝方法的成功運(yùn)用及推廣，填補(bǔ)了國內(nèi)數(shù)項(xiàng)空白，減少了高端設(shè)備資金的投入，節(jié)約了原材料，減少了機(jī)加工工序，縮短了工藝路線，較大地降低了產(chǎn)品的制造成本，為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益、提高了市場(chǎng)占有率。該模具結(jié)構(gòu)已被授權(quán)實(shí)用新型專利，該工藝方法已申報(bào)發(fā)明專利。

齒輪和輪輻槽凈成形鍛造及中間孔、減重孔熱沖成形

隨著世界傳統(tǒng)能源的不斷減少及對(duì)碳排放的控制，作為汽車零部件的生產(chǎn)廠家，鍛件的節(jié)材、提高鍛件的材料利用率、減輕鍛件的重量，被時(shí)時(shí)處處擺在工作的首要位置。車橋及各種變速箱廠家，大多也會(huì)把直徑較大的圓柱齒輪設(shè)計(jì)為兩端含有輪輻槽的結(jié)構(gòu)，甚至有時(shí)輪輻槽內(nèi)會(huì)設(shè)置工藝需要或?qū)Ｓ糜跍p重的數(shù)個(gè)圓孔。

此類零件的鍛坯通常是輪輻槽內(nèi)預(yù)留有機(jī)加工余量，輪輻槽內(nèi)的工藝或減重孔，也是在機(jī)加工完兩端的輪輻槽后，逐個(gè)鉆削而成的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的鍛造方式，無法保證鍛件兩端輪輻槽的同軸度在一定范圍內(nèi)，就必須進(jìn)行后續(xù)車加工修正，以保證最終加工的成品滿足圖紙要求。我公司利用創(chuàng)新型閉塞模具結(jié)構(gòu)，對(duì)軸間差速器從動(dòng)齒輪、變速箱齒輪進(jìn)行了輪輻槽凈成形鍛造并持續(xù)性批量生產(chǎn)。輪輻槽凈成形模具結(jié)構(gòu)示意圖如圖14 所示，凈成形鍛件如圖15 所示。

圖14 輪輻槽凈成形模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖15 輪輻槽凈成形鍛件

盤類零件鍛造后，為了降低后續(xù)機(jī)加工鉆孔時(shí)鉆床的壓力，我公司逐步采用中間孔熱沖切工序，以免除后續(xù)鉆孔工序，節(jié)約刀具成本。熱沖孔鍛件如圖16、圖17 所示。

圖16 軸間差速器主動(dòng)輪熱沖孔鍛件

圖17 變速箱齒輪熱沖孔鍛件

對(duì)于輪輻槽內(nèi)設(shè)置有數(shù)個(gè)工藝孔或減重孔的軸間差速器從動(dòng)輪或變速箱齒輪的鍛件，也可以通過設(shè)計(jì)一種多孔沖切的熱沖模(圖18、19)，將輪輻槽凈成形的熱態(tài)鍛件緩冷一段時(shí)間后(650℃左右)，以下輪輻槽定位，一次性將鍛件中間的主孔及輪輻槽內(nèi)的數(shù)個(gè)減重孔熱沖成形，沖切前后鍛件造型如圖20、圖21 所示。

圖18 多孔熱沖模沖前示意圖

圖19 多孔熱沖模沖切過程示意圖

圖20 輪輻槽凈成形鍛件三維造型

圖21 多孔熱沖切后鍛件三維造型

圓柱齒輪外直齒近凈成形鍛造

圓柱齒輪外齒的傳統(tǒng)工藝均是通過傳統(tǒng)的滾、剃、珩、磨實(shí)現(xiàn)的，近些年隨著國內(nèi)外制齒裝備的改造和自動(dòng)化提升，盡管制齒效率不斷得到提升，但終歸是要通過去材來實(shí)現(xiàn)。隨著近幾年各種原材料價(jià)格居高不下的大環(huán)境，加之市場(chǎng)需求不佳和制造業(yè)降價(jià)潮一輪高過一輪，以及疫情等多種因素的影響，各企業(yè)很難良性發(fā)展，只有通過內(nèi)挖潛力，降低制造成本，讓利于市場(chǎng)及用戶，才能勉強(qiáng)維持運(yùn)行。

近兩年，我公司把節(jié)材鍛造提到了首要議事日程，充分利用新工藝、新方法開發(fā)新產(chǎn)品或改進(jìn)傳統(tǒng)老工藝，以節(jié)材為抓手，以少、無切削為目標(biāo)、以工序合并或替代為終極，實(shí)現(xiàn)鍛造工藝、技術(shù)的飛躍提升。同時(shí)，應(yīng)勢(shì)而生的直齒圓柱齒輪外直齒鍛—磨工藝或外直齒冷擠—剃齒工藝，即是對(duì)外齒輪制齒工藝的顛覆，對(duì)于小規(guī)格(外徑120mm、厚度70mm 以內(nèi))、大規(guī)格(外徑260mm、厚度40mm 以內(nèi))的直齒圓柱外齒齒輪的熱鍛成形，即是圓柱直齒齒輪制齒工藝的創(chuàng)新。

通過對(duì)熱鍛內(nèi)齒形模具齒形各個(gè)因素的綜合考慮，如加工方法對(duì)齒形參數(shù)影響的大小及方向，后續(xù)外齒精加工的方法和留量，優(yōu)化出需要的內(nèi)齒形模具齒形參數(shù)，用慢走絲線切割機(jī)床加工出直齒齒形型腔，經(jīng)過嚴(yán)格的齒形拋光程序，得到合格的內(nèi)齒形型腔模具，在高精度模架上實(shí)現(xiàn)直齒圓柱外齒齒輪的閉式熱鍛成形，熱態(tài)鍛件見圖22，冷態(tài)鍛件見圖23。通過閉式型腔熱鍛造外直齒鍛件，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，僅在齒表面單側(cè)留有0.15 ～0.20mm 的熱后磨削量，遠(yuǎn)不同于常規(guī)的滾齒加工時(shí)切斷了金屬流線，大大增強(qiáng)了外直齒的強(qiáng)度，使齒輪的使用壽命得到極大提高。

圖22 外直齒圓柱齒輪熱態(tài)鍛件

圖23 外直齒圓柱齒輪冷態(tài)鍛件

也可以通過上述方法，結(jié)合鍛件、模具的彈性變形，避免影響因素過多而導(dǎo)致最終鍛件齒形的一致性、穩(wěn)定性差，采用冷擠齒形—剃齒工藝來完成外直齒的加工。采用冷擠工藝制外齒時(shí)，需要對(duì)冷擠前的料塊進(jìn)行磷化、皂化，以提高冷擠時(shí)的潤滑效果和金屬流動(dòng)性，同時(shí)要對(duì)模具進(jìn)行充分的冷卻，方可進(jìn)行連續(xù)性生產(chǎn)。通過冷擠壓成形的外直齒鍛件，齒形上僅在齒表面單側(cè)留有0.05 ～0.08mm 的熱前剃齒量，后續(xù)熱前車加工內(nèi)孔、端面過程中，必須以外直齒齒形定位，剃齒時(shí)僅加工漸開線齒面，而齒頂?shù)菇?、齒根圓角均在冷擠成形模內(nèi)齒形型腔設(shè)計(jì)時(shí)一并考慮，無需二次機(jī)加工。該產(chǎn)品在進(jìn)行熱處理時(shí)，要嚴(yán)格控制熱處理工藝及各項(xiàng)參數(shù)，防止變形過大而影響最終產(chǎn)品質(zhì)量。只有這樣才能減小齒形精度的損失，滿足使用要求不很嚴(yán)格的工況條件。冷擠實(shí)心鍛件見圖24，冷擠中空鍛件見圖25。

圖24 直齒圓柱齒輪外直齒冷擠實(shí)心鍛件

圖25 直齒圓柱齒輪外直齒冷擠中空鍛件

結(jié)束語

以上各實(shí)例均是在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)用戶需求或市場(chǎng)競爭下企業(yè)向內(nèi)挖潛的創(chuàng)新成果。作為一個(gè)企業(yè)，理應(yīng)緊盯市場(chǎng)，不斷創(chuàng)新，始終堅(jiān)持“技術(shù)改進(jìn)，沒有最好，只有更好”的理念，在實(shí)踐中探索，在探索中完善，永做低碳經(jīng)濟(jì)、綠色制造的踐行者。

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，中國工業(yè)由制造大國走向智造強(qiáng)國，一定指日可待。