大型齒輪座圈的輾軋成形技術研究

文／王浩，馬歡，徐翠娟·徐州九鼎鍛造科技有限公司

大型齒輪座圈的輾軋成形技術研究

文／王浩，馬歡，徐翠娟·徐州九鼎鍛造科技有限公司

王浩，技術部部長，主要從事大型、異形輾環件的開發工作，作為項目負責人主持完成了徐州市科技計劃項目《大型風電法蘭數控輾環機高效節能精輾成形新工藝研發及產業化》，擁有兩項發明專利。

工程機械、化工機械、礦山機械上的大型齒輪座圈(φ800mm～φ1800mm)，目前多數采用鋼板下料拼接制造的生產方式，本文通過齒輪座圈在輾軋過程中的塑性變形規律分析，總結了其原理和變形特點，成功開發出了大型齒輪座圈異形環件的輾軋成形技術，達到了節材節能、高效生產的目的。

目前在工程機械、化工機械、礦山機械等行業設備所應用的齒輪座圈數量較大，年用量甚至達10萬套，多數為鋼板焊接件(圖1），尺寸從φ800mm～φ1800mm不等。隨著設備性能的提升，體積小型化、能力大型化的苛刻要求，焊接件已漸漸無法滿足設備的設計要求，目前很多廠家均規定齒輪座圈改為鍛件，例如卡特彼勒有限公司、徐工集團徐工建設機械分公司、中聯重科、江蘇國潤機械制造有限公司等，我公司與有關院校合作，成功開發出了用輾環機生產齒輪座圈鍛件的近凈成形技術。

圖1 挖掘機底座齒輪座圈焊接件

工藝對比分析

卡特彼勒有限公司小型挖掘機底座齒輪座圈(圖2）直徑為φ986mm，原采用焊接件，國內多數廠家的制造工藝為鋼板下料，φ986mm法蘭部分分3～4部分切割下料，φ844mm頸部用鋼板卷成筒形對焊，然后對焊接部件進行整形后，把頸部與法蘭部分對接，沿著圓周方向進行多道次焊接，此工藝不僅需要較長的工序鏈和較多的下料設備、卷筒設備、焊接設備、整形設備等，而且材料利用率只有30%～50%，生產效率較低，產品質量不穩定；而輾軋工藝過程采用煤氣發生爐加熱、50000kN快速鍛造油壓機模鍛制坯、D52-2000輾環機一次精輾成形，座圈由鋼板焊接件改為鍛件，本身具備了鍛件的優良性能，同時，工藝采用異形輾軋技術，達到了后續少無切削，最大限度地保持了鍛造組織的纖維流向，防止了機械加工帶來的應力集中點，同時縮短了生產流程，提高了生產效率，提高了材料利用率，減少了設備投入、人員投入，工序數大大減少，最關鍵的是能滿足設備重型化、大型化對座圈的性能要求。

采取輾軋工藝生產的齒輪座圈鍛件類似于高頸法蘭(用于塔筒連接及壓力容器連接等的連接法蘭），高頸法蘭零件頸部與法蘭部分的分料重量比值大概為1∶3，在軋制過程中，主要對法蘭部位進行成形，法蘭寬度與厚度的比值在2.5左右，而齒輪座圈頸部與法蘭部分的分料重量比值大概為1∶1，法蘭寬度與厚度的比值在2.9左右，所以在輾軋塑性變形過程中齒輪座圈的軋制難度相對于高頸法蘭零件來說要更為大一些，而且齒輪座圈的直徑尺寸一般都比較大，擴徑量較大，所以在輾軋過程中缺陷的控制也較為困難。目前大連、山西等地區的部分工廠在鍛造高頸法蘭方面技術已較為成熟，但是在齒輪座圈的輾軋方面卻始終存在較多的問題有待解決。

圖2 卡特彼勒有限公司小型挖掘機底座齒輪座圈

齒輪座圈變形特點分析

現選用卡特彼勒有限公司小型挖掘機底座齒輪座圈為研究對象，型號為XE160C.01.1-1，如圖2所示，法蘭盤寬度為(986-800）/2＝93mm，厚度為32mm，重量為94.34kg，頸部重量為91.75kg(輾環件的單邊余量為4.5mm），壁厚為22mm，法蘭盤的寬度93mm與頸部壁厚22mm的比值懸殊，圓柱體棒料在模具內通過50000kN快速鍛造油壓機模鍛成形后，法蘭盤寬度與厚度的比值達到4.09，輾擴比達到2.4，根據鐓粗定律，軋制出如圖2所示尺寸形狀的齒輪座圈鍛件，在輾軋的過程中無論輾軋力是否達到或者超過臨界軋制力，法蘭端面均會產生凹槽(如圖3所示，即內徑和外徑部位的寬度增加，在環形件的上下端面形成環形凹槽），壓力無法透入橫截面心部，根據最小阻應力定律，在后續輾擴的過程中，凹槽會逐漸嚴重，最終造成余量不足。所以，在工藝研究過程中不僅對預鍛制坯過程的分料要求較為嚴格，同時對模具結構、軋制溫度、軋制道次等也均有較高的要求。

圖3 法蘭端面出現凹槽

輾軋工藝研制情況

預鍛件圖的設計

根據終鍛件圖的體積分配，遵循最小阻應力定律，預鍛件圖的設計原則為頸部與法蘭盤部的體積之比為1∶1。由于此環件法蘭盤部寬度與厚度比值較大，并且輾擴比較大，所以為滿足鐓粗定律與最小阻應力定律，預鍛件形狀在某些部位應加以改變，用錐形沖頭沖出毛坯上端的錐形結構，主要是為了把體積稍多地分配到法蘭部位，主要的變形區域集中在法蘭部位，根據實驗及模擬結果，在輾軋過程中會出現軸向走料的情況；錐形底部豎直面的尺寸為45mm，不能低于法蘭厚度的42mm，否則會造成軋制不穩定，軋制時坯料翹曲，也不能太過大于42mm，否則起不到分配體積的作用。

預成形件在50000kN油壓機上用模具壓制外形后出模，沖φ260mm的孔，然后再用錐形沖頭沖出上口錐形，最終形狀如圖4所示。

圖4 50000kN油壓機預鍛成形圖

輾環模具結構的設計

由于采用徑向輾環機，沒有軸向軋制，所以在輾軋過程中應盡量地使整個成形過程在封閉的型腔內部進行。遵循模具設計的一般原則，根據模擬結果及實驗經驗，上壓蓋的尺寸應滿足輾軋結束后上壓蓋應蓋住芯輥的上端面20mm左右，使成形的后半階段在芯輥、上壓蓋、輾輪、下托板組成的封閉型腔內成形，否則會造成外徑端面處出現毛刺，容易產生折疊；輾軋過程中法蘭部位的坯料會不同程度地沿軸向向上流動，造成法蘭部位體積不足，故輾輪的外圓面設計7°的斜度，主要防止在輾軋過程中坯料向上流動嚴重而造成法蘭部位體積不足，同時有利于材料向法蘭部位填充；各個臺階處均設計為圓角過渡，便于材料流動。輾環機精軋模具結構如圖5所示。

Simufact.forming軟件仿真模擬結果

德國Simufact工程公司開發的Simufact.forming軟件針對環軋工藝的特點，開發了環軋設備庫，專門針對環軋進行模擬設置，較為準確方便。以下是本工藝在模擬過程中的部分參數設置：輾輪直徑φ770mm/φ630mm，芯輥直徑φ260mm，徑向軋制速度1mm/s，精整時間10～20s，模具溫度150℃，坯料溫度1150℃，主軋輥轉速28r/min，摩擦因子0.85，計算步數3000步。仿真模擬結果如圖6、7所示，通過仿真模擬結果可以總結出模具及軋制參數方面需要調節的環節，并且確定了工藝的可行性，能軋制出較為理想形狀尺寸的齒輪座圈，為后續的工藝路線調整及模具加工提供了參考依據。

樣品試制情況

初步的工藝設計及仿真模擬結果證明了工藝的可行性及正確性，根據工藝先期試制了6件坯料，在不同的參數下進行了試驗，不同坯料的軋制參數見表1。在6件試驗品軋制過程中，軋制溫度是現場用紅外線測溫儀測得的，測點均為同部位3次測得平均值；軋制時間主要是指主軋階段的時間，精整時間一般為10～20s。

在以上試驗條件下，6件試驗產品的情況見表2。

以上數據為冷態下進行測量并且在后續機加工過程中記錄所得，2號、5號試件由于凹槽深度太深，在高度方向尺寸的加工余量范圍內沒有加工掉凹槽，不能滿足成品的尺寸要求。試制產品出現凹槽的情況如圖8所示。

圖5 輾環機精軋模具結構圖

圖6 仿真模擬前處理階段

圖7 仿真模擬后處理階段

主要技術參數及性能指標總結

以上試驗結果證明，在軋制過程中最合適的兩組參數組合是1號、4號。由于溫度高不僅浪費能源，并且氧化嚴重，影響材料利用率的提高，故生產中采用1100℃的初軋溫度，并且將進一步進行降溫試驗，找到初軋溫度的極限點，最大限度地降低能耗及氧化現象；在軋制時間方面重點把控主軋階段的軋制時間，盡量使軋制力透入齒輪座圈的橫截面中心，使齒輪座圈的塑性變形區域符合鐓粗定律，不至于出現失穩；本次試驗的齒輪座圈的擴徑量較大，并且法蘭寬度與厚度的比值較為懸殊，在軋制中期進行壓機整形十分必要。綜合以上因素考慮，選取4號試驗品的工藝路線為階段性最佳工藝路線，

■ 表1 試驗產品的不同軋制條件

■ 表2 6件試件在上述軋制條件下的試驗結果