扇形齒輪鍛壓件的設計制造

徐君

摘 要：本文探討扇形齒輪鍛壓件的制作過程，從工藝設計，模具設計到試樣制坯，從實體到三維造型，設計模具到模具制坯，通過對比不同規格的下料產生出即能保證質量又能降低成本的最佳耗材。

關鍵詞：鍛造;扇形齒輪;模具設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.013

0 引言

扇形齒輪是某紡織機上的關鍵傳動件，在設備中起著一定的平衡作用。由于現代設備對受力齒輪的要求越來越高，既要滿足性能要求，又要減輕重量，這就對加工工藝的性能提出了更高的要求。

在加工方法上常用的有鑄造和鍛造兩種。鑄造即把冶煉好的液體金屬用澆注、壓射等方式注入預先準備好的鑄造模型，進而獲得金屬成形物件的加工方式。鍛造即利用鍛壓機向加工件施加壓力，通過塑性變形塑造成符合要求形狀的加工方式。比較而言，鍛件的力學性能和使用壽命較鑄件性能低，且有不易變形、無裂縫、無砂眼等優良性能，因此選用鍛造的方式來完成扇形齒輪的毛坯制造。

本課題以材料20CrMnTi的扇形齒輪鍛造件為例，探索鍛件制造的工藝性，以便提高加工質量和生產效率。

1 工藝分析

（1）本研究對象為扇形齒輪的產品實物，如圖1所示，因此應先將其轉換為三維造型。采用應用廣泛、操作容易上手的通用三維CAD繪圖軟件SolidWorks，得到了如圖2所以的扇形齒輪的三維鍛壓造型。由于只討論扇形齒輪鍛壓件的設計制造，軋齒屬于外包件范疇，得到不含齒的實心鍛件。該鍛件對材質的內在質量要求較高。鍛件的最大尺寸為316mm、厚度為31.5mm，最薄厚度為16.5mm，進行三維建模后，鍛件重量為8.9kg。從圖中可以看出，該件結構相對簡單，外形左右對稱，但鍛件厚度較薄，對鍛造工藝要求較高。鍛件材料具有良好的加工性和低溫沖擊韌性，加工變形微小，有很好的抗疲勞性能。抗拉強度σb≥1080MPa，屈服強度σs≥835MPa。

（2）零件形狀的基本特征是扇形加圓筒形件，一般情況下，主要成形方法是沖裁、拉伸、切邊沖孔和彎曲。由于鍛件存在著頂端難充滿的可能性，根據生產條件，選擇設備4000T摩擦鍛壓機進行鍛打。在三維建模后的鍛件重量8.9kg的基礎上加料，用于確定下料的重量。由此設計出一套鍛造工藝，最終確定扇形齒輪鍛壓件的工藝流程為：下料-加熱-制坯-模鍛-切邊-正火-拋丸-探傷-打磨-檢查。

2 模具制造與試樣

2.1 模具制造

根據扇形齒輪的產品圖設計出扇形齒輪的毛坯三維造型后，并按照一定的熱收縮比例設計出扇形齒輪的模具圖，如圖3所示。將所有R角放大，按照產品設計要求將產品厚度盡量加厚以減小鍛壓機的噸位。模具材料選用5CrNiMo，利用加工中心來制作出模具，如圖4所示。

2.2 試樣步驟

2.2.1 下料

依據扇形齒輪鍛壓件的工藝分析，選用圓盤鋸或帶鋸床下料，料的直徑90mm，按1.2、1.3和1.4的比例增加材料消耗，因此選用長度擬定3種規格進行試制，分別為213mm、231mm和250mm。將圓鋼加熱至1150度左右。

2.2.2 制坯

先在坯料上做去氧化皮處理。由于扇形齒輪一頭呈扇形分布，不容易充滿，因此制坯時需將一頭制成圓盤狀，才可盡量打滿。考慮目前的加工工藝，選用1T的空氣錘，將料的前端拍至寬度200mm左右的圓盤。

2.2.3 模鍛

將溫度控制在1050-1150°C左右，由于拍扁過程中溫度下降較多，鍛件厚度較小，溫度過低將導致鍛件的抗變形力增加，進而無法充滿。溫度過低需重新使用天然氣爐或箱式電爐加熱。將毛坯放至模具中進行鍛打，保證型腔充滿。

2.2.4 切邊

將毛坯件取出，在400T油壓機上進行切邊處理。

2.2.5 檢查

鍛件制造好后，檢查有無折疊，有無氧化皮，有無缺料，有問題及時反饋至前道工序繼續加工，若已符合相關要求后方可進行后續批量生產。如圖5所示。

經過試制，驗證三種下料規格的原材料，皆能實現扇形齒輪鍛件的鍛造成形。但是213mm的毛坯料飛邊偏小，且有會導致充型不完整的可能性;250mm長度的規格雖充型效果好，但是飛邊過多不利于降低成本增加效能，所以為了既有穩定的工藝又降低成本，選擇231mm的規格。

3 存在的問題

在試樣的過程中，由于扇形齒輪中部薄可能造成溫度下降過快，導致所需鍛壓機噸位變大的問題，因此在設計時適當加厚了中部的厚度，考慮到是全加工件，只要超厚不太大也是可以接受的。另外，在打擊的過程中由于存在較大的沖擊力，錘頭的晃動導致有些許錯位的發生，在后期應更好的控制好生產的節奏，減少不必要的時間耽誤，更應避免溫度的流失影響產品的質量。

4 結論

通過對扇形齒輪整個工藝流程及加工制造的研究，掌握了該類產品鍛件的設計流程和成形特點，也為后續類似產品的設計開發提供了一點借鑒作用。

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