熱模鍛壓力機上模鍛齒輪軸

■山西利民工業有限公司 楊繼璋，今淑平，李建棟

熱模鍛壓力機上模鍛齒輪軸

■山西利民工業有限公司 楊繼璋，今淑平，李建棟

通過對齒輪軸的結構分析，制定出了該件成形時的工藝流程，介紹了模鍛工藝及其工步型腔設計。

圖1為正在研制生產的一種齒輪軸毛坯，材質8620H鋼，鍛件凈重9kg，下料重9.4kg，該件是某一汽車變速器中的重要件，其技術規范要求等溫正火后機加成形使用，還要進行表面滲碳淬火，其結構特點為軸線較長，截面突變較大。毛坯屬于S3級鍛件，坯料變形程度大，經過對該件進行分析，制定了一套從制坯到成形，在31.5MN熱模鍛壓力機上鍛造的工藝方案，經生產實踐證明，該工藝方案能夠滿足生產及圖樣要求，各項技術指標均達到預期目標。

1. 工藝分析

由于齒輪軸鍛件軸線較長，截面突變較大，如果是采用水平鍛造，必須要進行復雜的制坯和預鍛后，方可在熱模鍛壓力機上進行鍛造，而且水平鍛造時，由于中間薄壁高筋的法蘭部分在成形時，主要是以壓入方式成形，在成形方式上沒有鐓粗方式好成形，必須要產生較大的飛邊才能確保鍛件成形。

經計算，采用水平鍛造時，飛邊重量就應為0.9kg。而熱模鍛壓力機上模鍛是靠靜壓力使金屬變形的，且是在一次行程中完成金屬的變形，因此熱模鍛壓力機上模鍛的一般規律是：金屬材料在水平方向即徑向流動劇烈，而高度方向的流動相對緩慢，也就是說，水平方向優于高度垂直方向的成形。如果將此件改為沿軸線垂直方向鍛造，中間的法蘭部分將以鐓粗方式成形，只需要簡單的頂鐓制坯后即可完成，操作工序簡單，且采用垂直頂鐓成形時要節約原材料，經計算，飛邊重量只要0.4kg，每件可節約原材料0.5kg。但是，因在熱模鍛壓力機行程較小且行程固定不可調整，垂直頂鐓成形時，若坯料長度超越壓力機上死點時的模具最大開口尺寸時，材料就難以喂入模具。因此，在工藝編制和模具設計時首先要注意的就是法蘭部分的變形程度與坯料長度的相互關系。

圖1

下半部分的桿部長162.8mm部分，模鍛斜度2°，鍛件桿部小端直徑61mm，變形較小，這部分可以用φ60m m的棒料直接成形。上半部分長50.2mm部分，尺寸較小，深度較深，在鍛造過程中，必然會以壓入的方式充滿型腔，因此，鍛造時應考慮先預成形后，再終鍛的工藝方法，這樣才能避免其出現充不滿的現象。中間法蘭部分φ141mm×30mm，體積為V=468 200mm3，重量G=3.7kg。如果用φ60mm棒料鍛造，這部分所需的坯料長度為167mm，其高徑比ψ=167/60=2.78；當采用頂鐓的方式鐓粗成形時，其高徑比最大不能超過2.5，當高徑比大于2.5時，應進行頂鐓聚料制坯后才能進行頂鐓成形，否則在鍛造過程中，將會導致材料的失穩，而形成鍛件的折疊等致命的缺陷。

經以上分析，確定工藝為：加熱→鐓粗聚料→終鍛→切邊。

2. 模鍛工步及型腔設計

預鍛件圖樣的設計，首先應保證在終鍛時主要以鐓粗方式充滿型腔，在終鍛時，不產生金屬回流而形成折疊；其次，還考慮到坯料在型腔中的準確定位，使坯料鍛造過程中不產生錯動，因為熱模鍛壓力機有下頂料機構，能實現小斜度或無斜度模鍛。因此，在預鍛件的下端設計為圓柱形，以便于坯料在預鍛型腔中的定位。

根據計算，鍛件重量為9k g，當沿軸向鐓粗成形時，毛坯下料重量為9.4kg，如果用φ60mm棒料鍛造，其坯料尺寸為φ60mm×425mm。

鍛件成形主要取決于中間法蘭部分的成形，中間法蘭部分φ141mm×30mm，所需坯料長度為φ60mm×167mm，高徑比ψ=2.78，L=2.78d。根據頂鐓變形規則，當ψ≤2.5時，不需要進行頂鐓制坯，可以用原坯料直接成形。當ψ≤3.9時，需要進行一次錐形頂鐓聚料，頂鐓錐形型腔的各型腔尺寸的計算如下

這部分型腔應設計為如圖2所示結構，因下端部分應與鍛件一致，下端口部尺寸為φ70.2mm。

在工藝編制與模具設計中，不僅要考慮到各工步的定位準確性，而且要考慮到坯料放入模具中的可操作性，加熱好的坯料應能順利地放入模具，沒有任何阻礙。由于鍛件所需的坯料尺寸為φ60mm×425mm，模架中模塊的封閉高度為490mm，現有的31.5MN熱模鍛壓力機的滑塊行程為360mm，顯然，坯料長度大于壓力機行程。若用通常的模具封閉式的設計方法，坯料就根本喂不進鍛模中，必須對模具結構進行尺寸調整，增大在上死點時，模具的開口尺寸，以便于使坯料能順利放入模具。通過作圖法得知，在上模去除38.5mm后，利用下模中心型腔空間，可以將坯料順利置入型腔，如圖3所示。由于鍛件上端φ55mm×50.2mm處型腔尺寸小于坯料直徑，在頂鐓時為壓入成形，因此，預鍛件圖樣的設計中，可調整為如圖4所示結構，這樣既能滿足坯料能喂入模具和頂鐓聚料，又能確保終鍛的成形。

鍛模的每道工步應確保下一道工步的定位準確，每一道工步中已成形部分，在下道工步中不變形或少變形。

在終鍛型腔的熱鍛件圖中，熱鍛件圖的設計，型腔尺寸在冷鍛件圖樣的基礎上加1.5%收縮量?？紤]到頂鐓聚料后，在終鍛型中的坯料定位，終鍛型中的底端直柄部分，尺寸應稍大于頂鐓聚料型腔。

圖2

圖3

圖4

3. 模鍛結構設計

在預鍛和終鍛時，由于型腔較深，鍛件成形后，必須利用熱模鍛壓力機的頂出機構，將鍛件從模具型腔中頂出。由于鍛件采取垂直方向的頂鐓成形，在變形過程中，模具所承受的力主要集中在下端，即型腔最底部，在鍛造和冷卻時，在模具根部存在反復交變應力，極易造成此模具根部損壞，產生嚴重的裂紋，為此，把鍛模設計成組合式結構，將模具從型腔的底部分開，為確保模具精度和便于安裝，上下兩部分采用止口導向。在鍛件成形后溫度極高，硬度較低，如果采用局部小的接觸面積進行頂料，在較大退料力的作用下，頂桿會直接壓入造成鍛件報廢。所以，采用接觸面積較大的臺階形退料器，一是可以增大頂料時的鍛件受力面積，二是臺階形的結構能增大終鍛成形時的模具受力面積，三是便于型腔中的氧化皮等雜物的清理。因此，設計了圖5的模具結構。

為確保鍛件的成形，在終鍛模飛邊槽設計中，增加了阻尼溝，以增大水平方向阻力，如圖6所示，以便于能夠更好地充滿型腔。

4. 模鍛操作工步

（1）頂鐓聚料 將加熱好的坯料放入頂鐓型腔中，以外徑定位，進行頂鐓聚。

（2）終鍛 將頂鐓聚料后的坯料，移至終鍛模中進行終鍛。

在頂鐓聚料制坯和終鍛時，應對模具及時進行冷卻和潤滑，以確保模具的使用壽命，但由于預、終鍛模中存在下頂料機構，冷卻用石墨乳化液不能過多地噴入模具型腔，否則，多余的石墨多將模具下頂桿墊起，從而造成鍛件的端面的壓傷或長度不夠而報廢。由于型腔較深，深孔中的氧化皮不易清除，在氧化皮清理時，應制作一較長的吹管，將吹管伸入到型腔底部，用高壓空氣將其吹出。

5. 使用效果

頂鐓聚料制坯時，上端部分會有局部充不滿現象，此狀況不會影響終鍛成形。另外，由于退料時下頂出力極大，在分體下模的連接中，應選擇使用12.9級的高強度螺釘，否則，會造成螺釘的斷裂而嚴重影響生產。

經過批量生產使用，該模具結構緊湊，工藝簡單實用，達到了預期目的，鍛件各部分成形較好，金屬流線完整，殘留毛邊小，整體均勻，經力學性能檢測和加工使用，能夠完全滿足產品的各項技術要求，產品研制生產取得了成功。

圖5

圖6

［1］宋黎明.鍛模設計基礎［M］.北京：中國鐵道出版社，1999 .

［2］張志文.鍛造工藝學［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［3］中國機械工業學會鍛壓學會.鍛造手冊［M］.北京：機械工業出版社，2001.

［4］楊繼璋. 轎車左右橫臂的錘上模鍛工藝［J］. 鍛壓裝備與制造技術，2004，(2)：68-69.

［5］余承輝，楊繼璋. 單拐曲軸的錘上模鍛［J］. 熱加工工藝，2010，(11)：115-117.

［6］楊繼璋，申泰宏.轎車左右橫臂的錘上模鍛工藝［J］.模具制造，2009，(12)：54-55.

20150708