優化大徑厚比齒轂的鍛造工藝

文/阮發林·南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司鍛壓事業部

優化大徑厚比齒轂的鍛造工藝

文/阮發林·南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司鍛壓事業部

對于徑厚比超過30的齒轂鍛件，傳統工藝鍛造力大，法蘭部位會出現折疊缺陷。基于應變的等靜壓法優化預鍛毛坯鍛造力，比傳統工藝的鍛造力低19.8%，鍛件成形良好無缺陷。本文結合缺陷形成的基本原理和工藝軟件模擬結果來預測缺陷的產生，結果更加準確。

齒轂作為重型工程機械和重型卡車離合器中受力條件最復雜的從動零件，必須具備優良的機械性能，諸如減振性強、耐沖擊、傳遞扭矩能力強。在起動和重載制動時，其受力條件更為惡劣。因而齒轂必須有足夠的鍛造比，從而達到足夠的剪切、擠壓和彎曲強度。

齒轂制造的一般工藝路線為下料→制坯→模鍛→檢查。傳統工藝由兩臺壓力機生產線生產或者單臺壓力機兩火次生產，生產過程中耗能大、效率低，鍛件表面質量差。南車戚墅堰所采用220MN電動螺旋壓力機，其連續運行能力為180MN，能夠滿足多工位一火次鍛造，生產效率高，鍛件表面質量優良。大徑厚比齒轂鍛造工藝的優化從材料流動速度場的角度，分析出計算機模擬不出來的鍛造缺陷的產生過程，降低了生產成本，增強了產品競爭力。

產品工藝性分析

圖1為齒轂鍛件圖，該鍛件外徑較大，平均厚度只有17.5mm，平均徑厚比為31.2，L/D=0.032～0.042，鍛件復雜系數為S4。鍛件除內孔、內孔上下端面以及齒形加工法蘭面需要加工外，其余腹板均為非加工面，表面質量要求高。

法蘭的成形需要經歷正反彎曲過程，材料流動性復雜，容易出現折疊等缺陷。法蘭底面圓角較小，需要較大的成形力而且極易出現缺肉現象?；诹慵男阅芗耙?，其鍛造比要大于9，材料流動劇烈，模具潤滑要求嚴格，傳統工藝模具壽命較小，一般生產400件左右就需要大修。

圖1 齒轂鍛件圖

鍛造工藝過程分析與優化

工藝設計

由于鍛造比較大，因此下料選擇φ180mm的圓鋼。鍛件的平均厚度較小，鍛件溫度下降較快，終鍛只允許一次鍛打，從而造成變形速度非常大，材料流動劇烈。傳統工藝的出坯和終鍛成形力較大，終鍛法蘭成形包含彎曲和增厚過程，材料流動劇烈，容易因紊流造成折疊，因此預鍛毛坯的設計非常關鍵。預鍛毛坯設計方法有指數法、拋物線法、等靜壓法等等。出坯的形狀和尺寸很大程度上決定了鍛件的成形過程，就出坯形狀設計了3組工藝，分別用鍛造工藝模擬軟件DEFORM模擬情況和220MN電動螺旋壓力機上工藝試制情況進行對比驗證。工藝1為φ180mm下料→鐓粗至φ400mm→終鍛。

■ 表1 模擬成形力對比

工藝1鐓粗直徑太小，法蘭成形經歷兩次彎曲易出現缺陷，因此工藝2增大了出坯直徑，φ180mm下料→平板鐓粗至φ540mm→終鍛。

工藝1和工藝2改變不了法蘭成形時的材料紊流現象，無法從根本上解決鍛造缺陷，因此運用基于應變的等靜壓法設計工藝3的預鍛工藝為φ180mm下料→異形鐓粗至φ540mm→終鍛。

DEFORM模擬結果分析

為了保證模擬結果的可比性，除出坯模具外均選用相同的工藝參數，例如模具溫度、摩擦系數、成形設備等。工藝關心的是各階段成形力和法蘭的成形結果，為了節省內存取1/12的模型進行模擬。

⑴成形力。

圖2 終鍛成形過程

表1為三種工藝各成形階段成形力。分析各工藝可知鐓粗直徑增大，成形力增大的非常明顯。同樣的鐓粗直徑，工藝3的成形力比工藝2減小7%。同時制坯直徑越大，終鍛變形量越小，終鍛力也越小。成形到名義尺寸工藝1和2均超出了設備連續運行能力（180MN），試制成形時會導致鍛件超厚。工藝2終鍛力比工藝1小6.2%，而工藝3成形力大大降低，同比工藝1下降19.8%，可以在220MN電動螺旋壓力機上連續鍛造。

⑵法蘭成形過程。

三種工藝成形過程如圖2。工藝1首先是盤轂中心凸臺成形，然后材料徑向流動，經過正反彎曲過程后法蘭成形，最后充滿部位為法蘭上中部。工藝2的坯料直徑較大，先發生彎曲變形，然后中心凸臺和法蘭幾乎同步成形，法蘭上中部最后充滿。工藝3先發生彎曲，法蘭率先成形，之后成形盤轂的腹板面，同時形成飛邊，最后成形部位為盤轂的中心凸臺。

圖3 折疊角后處理結果

圖4 法蘭成形速度場

三種工藝模擬都成形良好，模具最小接觸距離和折疊角（圖3）的后處理顯示最終鍛件無缺肉和折疊。終鍛一次成形，材料流動速度較大，而且法蘭部位材料流動方向較為復雜，易出現鍛造缺陷，因而就法蘭部位成形過程的速度場進行著重研究。

圖4(a)所示的工藝1中，坯料均由鐓粗經斜面擠出，流動速度非?？欤?500mm/s以上），坯料繼續流動首先接觸到下模法蘭部位發生類似“回流”現象，同時坯料發生彎曲。坯料繼續徑向流動接觸到下模橋部，此部位材料的流動方向主要是徑向，導致“回流”現象更加明顯，形成材料表面拉入內部形成折疊。同時坯料彎曲時的“壓印”也由徑向向外流動，法蘭上部出現了內凹現象。上模繼續下行，橋部形成，法蘭下部基本充滿，上部坯料的凹坑更加明顯，由于腹板部位的坯料繼續向外快速流動，靠近上模橋部坯料受到阻力向外流動較慢，法蘭上部最后成形部位坯料可能形成回流，造成折疊缺陷。

圖4(b)所示的工藝2中，由于鐓粗直徑加大，中心部位材料減少，在彎曲時材料流動速度（1600mm/s左右）明顯比工藝1低，接觸下模時也未發生“倒流”現象，但彎曲“壓印”流動現象仍然存在，只是內凹的程度有所降低。筆者預測法蘭上部有折疊，較工藝1缺陷深度有所下降。

圖4（c）所示的工藝3中，由于鐓粗坯料的改進，首先發生彎曲，法蘭部位坯料較多，彎曲“壓印”部位坯料發生雙向流動，“壓印”不會流動，法蘭部位發生類似鐓粗成形，法蘭完全成形后才發生坯料完全徑向向外流動，因此法蘭成形良好。在齒轂的成形過程中，材料的徑向向外流動僅發生在最后成形階段，因此成形力的降低也較為明顯。

⑶鍛件試制結果分析。

由圖5可見工藝1和工藝2試制出的齒轂法蘭正反面均有折疊出現，工藝1的折疊現象更為明顯，而工藝3試制出的齒轂鍛件法蘭部位未見任何質量缺陷，表面質量優良。而且工藝1和2試制出的齒轂明顯偏厚，法蘭部位甚至出現缺肉現象，打擊力過大，超出了設備的能力。

結束語

圖5 三種工藝試制齒轂法蘭正反面

圖6 齒轂鍛件

基于應變的等靜壓法設計的出坯形狀可使鍛件成形良好無缺陷，而且鍛造力下降較為明顯，模具壽命有較大的提高，模具的修理頻率大大降低。在鍛造工藝設計研發階段運用DEFORM進行工藝預設計的應用越來越多，同時工藝人員對軟件的依賴性也越來越大。然而軟件的缺陷預測基于計算結果的極限值（比如預測折疊的折疊角），不能完全反應真實的情況。

阮發林，工程師，主要負責大型模鍛件模具設計、工藝設計、電動螺旋壓力機應用。