深小孔齒坯熱沖孔研究和經濟性分析

江叔通，賈宏偉，黃輝龍

（南昌齒輪鍛造廠，江西 南昌 330044）

通過鍛造成形的齒坯，若齒坯的孔徑不大于25mm，且厚度t/孔徑d≥1.2，被認定為深小孔齒坯，汽車變速箱的高速檔和倒檔齒坯屬于此種類型。隨著汽車輕量化推進步伐的加快，以及材料性能的不斷提高，在輸出同等扭矩的情況下，變速箱齒輪正朝著小形化、輕量化方向快速發展，深小孔齒坯的市場需求會逐步增多。

齒坯一般采用閉式模鍛工藝[1]生產，其優點是無橫向飛邊，同時減少了加工余量和拔模角，提高了材料利用率。但此工藝會增加鍛造難度，模具結構也較為復雜。從鍛造工藝角度[2]分析，若內孔直徑d≤25mm，只能設計成盲孔，孔內余塊通過鉆削去除。若在鍛件終鍛成形后，將孔內余塊采用熱沖孔方式去除，加工時間則可大大縮短。國內的相關文獻[3-5]論述可以將普通齒坯的孔熱沖到15mm，對深小孔齒坯熱沖孔沒有報道。以下對深小孔齒坯熱沖工藝進行研究，并對此工藝的經濟性進行分析。

1 深小孔齒坯粗車對內孔尺寸的要求

齒坯需經過粗精車后用以齒形加工。孔的加工較為不易，留有的加工余量越少，對孔的加工越為有利，粗車時采用的鏜孔刀具為內孔車刀。

隨著數控車床的普及，匹配數控車床是實心液壓卡盤，內孔車刀需具有斷屑功能。鏜孔時，刀架朝主軸方向做直線進給，產生的鐵屑通過內孔另一側排出（卡盤端）。鐵屑受進給力的作用往卡盤端運動，同時也受到離心力的作用往外徑方向運動，實際加工時，當內孔直徑d≤18.5mm時，鐵屑會堵在孔內而無法排出，則會造成孔無法加工。另因熱沖孔時會存在錯移，故沖孔尺寸需大于19.5mm。若沖孔尺寸較小，則需要擴孔至19.5mm以上。

2 深小孔齒坯熱沖孔工藝

因粗車對孔徑有要求，熱沖的孔徑越大，鍛件變形也會越大，故需對終鍛和沖孔進行綜合設計。對深小孔齒坯而言，若孔內的余塊厚度過大，則會造成鍛件熱沖孔變形過大而報廢。因齒坯外形尺寸較小，閉式模鍛工藝設計時，只需設計制坯和終鍛工步即可。終鍛上模凸臺的高度[6]決定余塊的厚度，若h/d＜0.5，模具具有足夠的使用壽命；若h/d＞1，模具很容易失效。為保證模具壽命，設計的凸臺取值為h=（0.5-0.8）d。若齒坯按精化狀態設計[7]，則需增加預鍛，雖增加工步，但可以減少孔內的余塊厚度，終鍛上模凸臺的高度可以設計為h=1.25d。

圖1 鍛件圖

以RangerMT82變速箱的倒檔惰輪為例，分析整個沖孔的變形過程。圖1為鍛件圖，d=?24mm，凸臺高度h=19.2mm，終鍛件放置在凹模上，最下端面被約束，外徑未被約束。為減少孔的余量，采用?22.4mm沖子，熱沖孔行程為35.1mm，使用Deform-3D軟件模擬整個熱沖孔過程，如圖3所示。從模擬過程可以知道，上端孔口處有輕微拉塌現象，沖子往下運動過程中，極少部分的料被擠向側面，大部分料沿著凹模口被擠出，剪切時下端拉出翻邊，受剪切應力和溫度內應力影響，下端孔口變形較大。模擬結果與實際生產結果（圖2的鍛件流線）相一致，熱沖孔為先側面無約束的復合擠壓，后剪切過程。

圖2 鍛件流線圖

圖3 深小孔齒坯熱沖孔模擬過程圖

為實現深小孔齒坯熱沖工藝，壓形設備必須具有以下兩個特點：①設備具有較好的導向性和抗偏載能力，可以滿足多工位鍛造；②設備能控制鍛件的厚度尺寸，否則鍛件的上模成形的油槽（若有）和輪輻的深度尺寸無法保證。

終鍛上模盡量采用分體式結構[8]，可提高鍛件填充性和上模壽命。沖子在擠壓過程受熱時間長，刃口容易失效[9]，材料建議選擇3Cr2W8V，采用水冷方式，方可保證沖子的壽命。沖子與鍛件分離，需采用剛性較好的卸料裝置，使得沖子便于脫離鍛件。若為深小孔齒坯具有雙面油槽[10]，沖孔時也需對鍛件上端約束，同時下端孔口設計反變形，以防止下端油槽變形。

3 熱沖孔和鉆孔的經濟性分析

去除孔內余塊的方式不同，所需的成本也不同。一種工藝的推廣使用，經濟性為主要的驅動力，熱沖孔工藝能否取代鉆孔，以下從孔的余量和工藝流程進行分析。

3.1 孔的余量分析

齒坯鍛造時上模不用頂出機構，故上模芯都會設計R5以上的圓角，拔模斜度≥5°。因鍛件存在錯移[11]，為保證鉆孔不偏斜或崩刃，鉆的孔徑需比熱沖的小1mm～6mm，如圖4所示，熱沖的孔徑為?21mm，最大可達?23mm，而鉆孔最大孔徑為?20mm。若要鉆到?23mm，易造成孔偏或崩刃，經濟性和效率上不可取。故熱沖孔成形的孔的余量少，可減少刀具成本和加工時間。

3.2 工藝流程分析

兩種方式與孔相關的工藝流程如下：

熱沖孔——終鍛→熱沖孔→等溫正火→拋丸→粗車一端→粗車另一端；

鉆孔——終鍛→等溫正火→拋丸→鉆孔→粗車一端→粗車另一端。

圖4 熱沖孔和鉆孔分析示意圖

熱沖孔在多工位鍛造設備上沖孔，若不采用此類設備，則需增加1臺沖孔設備，但兩者沖孔節拍一致，與壓形節拍相同，約為9s/件。鉆孔節拍約為38s/件，1人可以操作2臺鉆床。熱沖孔的人工費只有鉆孔的42%（考慮工資附加等）；熱沖孔損耗沖子，鉆孔損耗鉆頭，單件消耗基本一致；沖孔產生的余料為連皮，其售價高于鐵屑。

鉆孔方式的鍛件重量更重，熱處理和拋丸工序會增加能耗和物流周轉費，另外鉆孔工序會增加在制品，從而增加資金占用。

熱沖孔方式孔的加工余量少，從而減少刀具成本和縮短生產節拍；從工藝流程上看熱沖孔會減少人工成本、能耗、物流周轉費和資金占用等。經過核算，熱沖孔方式所需要的相關費用只有鉆孔的52%左右。

4 結論

變速箱的發展趨勢是小形化和輕量化，深小孔齒坯市場需求量逐步增大，熱沖孔方式可縮短去除孔內余塊的加工節拍。本文對該種類型齒坯粗車進行分析，要保證粗車時能夠鏜孔，鍛件的成形孔徑需在?19.5mm以上。根據孔徑的要求，最大限度減少孔的余量，以倒檔惰輪齒坯為例，對其熱沖孔過程進行數值模擬，模擬結果與實際生產結果相一致，熱沖孔為先側面無約束的復合擠壓，后剪切過程，對保證此工藝的實施在設備和模具進行了闡述。通過孔的余量和工藝流程分析得出，熱沖孔方式去除孔內余塊，不但可以縮短生產節拍，還可以大幅度降低與孔相關的費用。

[1]中國鍛壓協會，編著.汽車典型鍛件生產[M].北京：國防工業出版社，2009.

[2]姚澤坤.鍛造工藝學與模具設計[M].西安：西北工業大學出版社，2007.

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[5]劉 潔，王德俊，楊曉紅.轉向螺桿的擠壓成形工藝研究[J].鍛壓技術，2007，32（5）：66-68.

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[9]趙 震，陳 軍，吳公明.冷溫熱擠壓技術[M].北京：電子工業出版社，2008.

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