齒輪精鍛工藝的應(yīng)用

文／黨軍·陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司

齒輪精鍛工藝的應(yīng)用

文／黨軍·陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司

黨軍，鍛造工藝主管，工程師，主要從事鍛造工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)和設(shè)備調(diào)試。多項(xiàng)創(chuàng)新獲省市職工技術(shù)創(chuàng)新二、三等獎(jiǎng)。

齒輪是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的最基本的零件之一，精鍛工藝生產(chǎn)齒輪是一種極具開發(fā)前景的新工藝、新技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)的切削加工而言，精鍛齒輪改善了齒輪的組織和性能。精鍛使金屬三向受壓，晶粒及組織變細(xì)，致密度提高，微觀缺陷減少；精鍛還使金屬流線沿齒形連續(xù)均勻分布，且少、無切削加工，提高了齒輪的機(jī)械性能和材料利用率。一般來說，精鍛可使齒輪強(qiáng)度提高20%以上，抗沖擊強(qiáng)度提高約15%，抗彎曲疲勞強(qiáng)度提高約20%，齒輪的使用壽命延長(zhǎng)1倍以上。

熱溫冷復(fù)合工藝

齒輪精密鍛造多采用熱冷聯(lián)合、溫冷聯(lián)合精密成形技術(shù)，鍛件變形主要由熱、溫鍛階段完成，重要尺寸由冷鍛工藝保證。綜合利用熱成形、溫成形與冷成形工藝特點(diǎn)，制造尺寸大、精度高的鍛件。典型的齒輪精密鍛造工藝流程為：下料→車削外形或拋丸坯料→涂防氧化皮石墨涂層→少、無氧化感應(yīng)加熱→鐓粗→鍛造→高溫回火→拋丸→清洗→切邊、沖孔→涂潤(rùn)滑劑→冷精整。此套工藝流程關(guān)鍵點(diǎn)如下：

⑴車削外形或拋丸坯料。

如果機(jī)床達(dá)不到工藝要求，則需采用車床車削保證精度，根據(jù)鍛件特點(diǎn)坯料可采取部分車削，以減少成本。

⑵加熱脫碳、氧化的防護(hù)。

涂抹防氧化涂層前需對(duì)坯料進(jìn)行清潔，并預(yù)熱到110±10℃，否則達(dá)不到涂層附著效果。涂層必須晾干，坯料進(jìn)加熱爐前應(yīng)盡量輕拿輕放，防止涂層磕碰脫落，影響使用效果。加熱溫度不能高于1000℃，否則涂層就會(huì)失效，因此熱鍛比溫鍛更要注意控制坯料的氧化速度。采用中頻感應(yīng)加熱爐加熱，使用紅外檢測(cè)儀控制料溫并對(duì)坯料進(jìn)行分選，是實(shí)現(xiàn)精密鍛造的必備條件。

⑶鍛造模具潤(rùn)滑。

潤(rùn)滑是精密鍛造的成敗關(guān)鍵，如果潤(rùn)滑劑選擇不當(dāng)，造成脫模困難，會(huì)嚴(yán)重影響鍛件表面質(zhì)量，達(dá)不到工藝要求，而且模具壽命也會(huì)受到很大的影響，水基石墨脫模劑能很好的滿足這種使用要求。自動(dòng)潤(rùn)滑裝置可根據(jù)不同的鍛件型腔調(diào)整噴灑范圍，按預(yù)定要求潤(rùn)滑、冷卻模具，能提高模具壽命，保證脫模順利。采用自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，還能解決人工噴灑不均、頻率不穩(wěn)的問題。

⑷模具制造精度。

模具型腔精度直接影響到鍛件精度。采用的恒溫、恒濕、五軸高速硬銑工藝，能很好的保證模具型腔的精度要求，并且采用五軸高速硬銑技術(shù)，可以將計(jì)算機(jī)模擬、造型等技術(shù)直接轉(zhuǎn)化輸入，保證了數(shù)據(jù)的完整對(duì)接。利用機(jī)床的紅外測(cè)頭定位，使模具加工的人為誤差降到最小。在模具加工過程中，特別是在等高螺旋跨球距精修工序，機(jī)床球刀達(dá)到20000r/min時(shí)，冷卻液基本起不到潤(rùn)滑冷卻作用，這時(shí)可以采用氣冷或者預(yù)先涂油冷卻，確保刀具壽命，而且最后工序需多次測(cè)量，特別跨球距尺寸，適時(shí)添加刀補(bǔ)，防止因讓刀出現(xiàn)的尺寸不合格現(xiàn)象。

模具型腔的漸開線齒形部分若采用慢絲線切割，適當(dāng)多留余量并進(jìn)行多遍切割，第一刀后每次切割余量控制在0.02～0.05mm，使用這種分步多次的加工方法，特別在拐角等復(fù)雜段，應(yīng)及時(shí)增加附加動(dòng)力，可保證齒形模具線切割時(shí)不發(fā)生變形。

⑸自動(dòng)化操作。

采用機(jī)器人取料、放料，消除了人工操作時(shí)定位不準(zhǔn)、節(jié)奏不穩(wěn)產(chǎn)生影響質(zhì)量的人為因素。為了將模具在使用過程中的磨損、彈性變形所造成的誤差降到最低，冷鍛齒模具材料需選用超硬合金，硬度達(dá)到58～60HRC，抗壓強(qiáng)度達(dá)到3900MPa。由于冷鍛齒模具具有高硬度、低韌性的特點(diǎn)，幾乎不能承受拉應(yīng)力，因此需采用組合模具設(shè)計(jì)。采用齒模大過盈量壓入凹模，使齒模內(nèi)圈盡量減小切向拉應(yīng)力，以免造成模具開裂失效。

精密鍛造應(yīng)注意的問題

在其他工藝參數(shù)不變的情況下，機(jī)床不同，鍛件的尺寸也不同。鍛打力大的鍛件尺寸大，滑塊下行速度快的鍛件尺寸小。這是因?yàn)殄懘蛄Υ髸r(shí)，金屬填充型腔時(shí)凹模彈性擴(kuò)張量大，所以鍛件的尺寸也大；滑塊下行速度快，終鍛溫度高，熱收縮量大，鍛件尺寸小。所以模具的尺寸應(yīng)在生產(chǎn)條件穩(wěn)定，并進(jìn)行試鍛后才能確定。

終鍛溫度對(duì)產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性影響極大，特別是跨棒距，如一個(gè)產(chǎn)品圖紙規(guī)定公差只有0.168mm，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)終鍛溫度差10℃，跨棒距變動(dòng)0.03mm左右。爐溫的高低、加熱時(shí)間的長(zhǎng)短、操作時(shí)間的長(zhǎng)短、滑塊下行速度的快慢、模具溫度高低、周圍環(huán)境溫度的變化都會(huì)造成終鍛溫度的波動(dòng)。當(dāng)跨棒距超出公差時(shí)，可將爐溫在范圍適當(dāng)調(diào)整，讓跨棒距滿足圖紙要求；當(dāng)溫度調(diào)整達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)修改模具尺寸。

鍛件的飛邊對(duì)精度影響很大，鍛件的飛邊應(yīng)均勻。如果凸、凹模之間的間隙不均勻，或者下料不精確，打出的鍛件飛邊會(huì)有缺口或者一邊大一邊小，這不均勻的飛邊在鍛件冷卻時(shí)，會(huì)使環(huán)狀不圓，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致齒形徑向跳動(dòng)超差。圖1所示為鍛件飛邊對(duì)比圖，圖中左側(cè)飛邊連皮均勻，這樣的鍛件廢品非常少。右側(cè)飛邊連皮形狀不規(guī)則，這樣的鍛件極易出現(xiàn)充不滿，且齒形跳動(dòng)比較大。

圖1 鍛件飛邊對(duì)比

精密鍛造工藝

鍛件齒部冷收縮的控制

鍛件齒形尺寸是模具齒形設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。導(dǎo)致模具齒形和鍛件冷卻后齒形產(chǎn)生差異的原因是模具型腔在終鍛溫度下的熱膨脹和在鍛造力作用下的彈性變形。在齒環(huán)精鍛時(shí)，變形力小，模具的彈性變形就小，不到鍛件熱脹量的5%。齒環(huán)熱鍛件的彈性恢復(fù)遠(yuǎn)小于熱鍛件的收縮量，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)僅考慮熱膨脹因素對(duì)模具齒模的影響。

常規(guī)的做法是凡是精鍛后不再加工的尺寸，將齒模的尺寸設(shè)計(jì)成產(chǎn)品下偏差尺寸的1.009倍。齒模試鍛后將鍛件加工成成品，逐個(gè)測(cè)量尺寸，對(duì)沒有進(jìn)入產(chǎn)品圖下偏差的尺寸，算出差值，根據(jù)差值修改齒模的尺寸，就可以加工出非常理想的齒模。

模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)軟件主要采用Pro/Engineer三維模具設(shè)計(jì)（圖2）和Deform-3D對(duì)金屬塑性變形過程進(jìn)行有限元模擬。Deform-3D能直觀的演示整個(gè)金屬變形過程，表現(xiàn)生產(chǎn)過程中金屬的流動(dòng)規(guī)律和各種因素對(duì)金屬變形的影響，以及成形過程中鍛件和模具的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。鍛件成形模擬還能預(yù)測(cè)金屬塑性變形過程中可能出現(xiàn)的缺陷，并可以此為理論依據(jù)進(jìn)行工藝優(yōu)化和模具改進(jìn)，這種有限元模擬方法可以縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期和降低試制成本。鍛件成形模擬見圖3。

圖2 三維模具設(shè)計(jì)

圖3 鍛件成形過程模擬

精密鍛造工藝的應(yīng)用

⑴閉式鍛造。閉式鍛造可用于傘齒輪和等速萬向節(jié)星形套等復(fù)雜零件的無飛邊成形。閉式鍛造的鍛件見圖4。

圖4 閉式鍛造的鍛件

⑵分流鍛造。分流鍛造可用于較大規(guī)格齒輪的精密成形。利用齒坯中心孔分流減壓，采用液壓機(jī)構(gòu)對(duì)反向凸模進(jìn)行背壓，利用較小載荷鍛造齒形。分流鍛造，組合凸模結(jié)構(gòu)和背壓機(jī)構(gòu)均是提高齒輪冷鍛整形模具壽命的有益措施。分流鍛造的齒輪鍛件見圖5。

圖5 分流鍛造的齒輪鍛件

結(jié)束語

對(duì)熱鍛或溫鍛后的鍛件進(jìn)行冷精整，可以穩(wěn)定的獲得DIN7級(jí)齒形成形精度，有效地提升鍛件精度水平和材料利用率，在降低成本的同時(shí)，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，采用精鍛工藝是齒輪鍛造企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力的必要措施。