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      熱模鍛壓力機(jī)上模鍛齒輪軸

      2015-11-30 03:27:15山西利民工業(yè)有限公司楊繼璋今淑平李建棟
      金屬加工(熱加工) 2015年21期
      關(guān)鍵詞:鍛模模鍛型腔

      ■山西利民工業(yè)有限公司 楊繼璋,今淑平,李建棟

      熱模鍛壓力機(jī)上模鍛齒輪軸

      ■山西利民工業(yè)有限公司 楊繼璋,今淑平,李建棟

      通過對(duì)齒輪軸的結(jié)構(gòu)分析,制定出了該件成形時(shí)的工藝流程,介紹了模鍛工藝及其工步型腔設(shè)計(jì)。

      圖1為正在研制生產(chǎn)的一種齒輪軸毛坯,材質(zhì)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(shù)規(guī)范要求等溫正火后機(jī)加成形使用,還要進(jìn)行表面滲碳淬火,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為軸線較長(zhǎng),截面突變較大。毛坯屬于S3級(jí)鍛件,坯料變形程度大,經(jīng)過對(duì)該件進(jìn)行分析,制定了一套從制坯到成形,在31.5MN熱模鍛壓力機(jī)上鍛造的工藝方案,經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明,該工藝方案能夠滿足生產(chǎn)及圖樣要求,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

      1. 工藝分析

      由于齒輪軸鍛件軸線較長(zhǎng),截面突變較大,如果是采用水平鍛造,必須要進(jìn)行復(fù)雜的制坯和預(yù)鍛后,方可在熱模鍛壓力機(jī)上進(jìn)行鍛造,而且水平鍛造時(shí),由于中間薄壁高筋的法蘭部分在成形時(shí),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(chǎn)生較大的飛邊才能確保鍛件成形。

      經(jīng)計(jì)算,采用水平鍛造時(shí),飛邊重量就應(yīng)為0.9kg。而熱模鍛壓力機(jī)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(jī)上模鍛的一般規(guī)律是:金屬材料在水平方向即徑向流動(dòng)劇烈,而高度方向的流動(dòng)相對(duì)緩慢,也就是說,水平方向優(yōu)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(jiǎn)單的頂鐓制坯后即可完成,操作工序簡(jiǎn)單,且采用垂直頂鐓成形時(shí)要節(jié)約原材料,經(jīng)計(jì)算,飛邊重量只要0.4kg,每件可節(jié)約原材料0.5kg。但是,因在熱模鍛壓力機(jī)行程較小且行程固定不可調(diào)整,垂直頂鐓成形時(shí),若坯料長(zhǎng)度超越壓力機(jī)上死點(diǎn)時(shí)的模具最大開口尺寸時(shí),材料就難以喂入模具。因此,在工藝編制和模具設(shè)計(jì)時(shí)首先要注意的就是法蘭部分的變形程度與坯料長(zhǎng)度的相互關(guān)系。

      圖1

      下半部分的桿部長(zhǎng)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(zhǎng)50.2mm部分,尺寸較小,深度較深,在鍛造過程中,必然會(huì)以壓入的方式充滿型腔,因此,鍛造時(shí)應(yīng)考慮先預(yù)成形后,再終鍛的工藝方法,這樣才能避免其出現(xiàn)充不滿的現(xiàn)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(zhǎng)度為167mm,其高徑比ψ=167/60=2.78;當(dāng)采用頂鐓的方式鐓粗成形時(shí),其高徑比最大不能超過2.5,當(dāng)高徑比大于2.5時(shí),應(yīng)進(jìn)行頂鐓聚料制坯后才能進(jìn)行頂鐓成形,否則在鍛造過程中,將會(huì)導(dǎo)致材料的失穩(wěn),而形成鍛件的折疊等致命的缺陷。

      經(jīng)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(shè)計(jì)

      預(yù)鍛件圖樣的設(shè)計(jì),首先應(yīng)保證在終鍛時(shí)主要以鐓粗方式充滿型腔,在終鍛時(shí),不產(chǎn)生金屬回流而形成折疊;其次,還考慮到坯料在型腔中的準(zhǔn)確定位,使坯料鍛造過程中不產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng),因?yàn)闊崮e憠毫C(jī)有下頂料機(jī)構(gòu),能實(shí)現(xiàn)小斜度或無斜度模鍛。因此,在預(yù)鍛件的下端設(shè)計(jì)為圓柱形,以便于坯料在預(yù)鍛型腔中的定位。

      根據(jù)計(jì)算,鍛件重量為9k g,當(dāng)沿軸向鐓粗成形時(shí),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(zhǎng)度為φ60mm×167mm,高徑比ψ=2.78,L=2.78d。根據(jù)頂鐓變形規(guī)則,當(dāng)ψ≤2.5時(shí),不需要進(jìn)行頂鐓制坯,可以用原坯料直接成形。當(dāng)ψ≤3.9時(shí),需要進(jìn)行一次錐形頂鐓聚料,頂鐓錐形型腔的各型腔尺寸的計(jì)算如下

      這部分型腔應(yīng)設(shè)計(jì)為如圖2所示結(jié)構(gòu),因下端部分應(yīng)與鍛件一致,下端口部尺寸為φ70.2mm。

      在工藝編制與模具設(shè)計(jì)中,不僅要考慮到各工步的定位準(zhǔn)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(yīng)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(xiàn)有的31.5MN熱模鍛壓力機(jī)的滑塊行程為360mm,顯然,坯料長(zhǎng)度大于壓力機(jī)行程。若用通常的模具封閉式的設(shè)計(jì)方法,坯料就根本喂不進(jìn)鍛模中,必須對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸調(diào)整,增大在上死點(diǎn)時(shí),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(shí)為壓入成形,因此,預(yù)鍛件圖樣的設(shè)計(jì)中,可調(diào)整為如圖4所示結(jié)構(gòu),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(yīng)確保下一道工步的定位準(zhǔn)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(shè)計(jì),型腔尺寸在冷鍛件圖樣的基礎(chǔ)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(yīng)稍大于頂鐓聚料型腔。

      圖2

      圖3

      圖4

      3. 模鍛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      在預(yù)鍛和終鍛時(shí),由于型腔較深,鍛件成形后,必須利用熱模鍛壓力機(jī)的頂出機(jī)構(gòu),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(shí),在模具根部存在反復(fù)交變應(yīng)力,極易造成此模具根部損壞,產(chǎn)生嚴(yán)重的裂紋,為此,把鍛模設(shè)計(jì)成組合式結(jié)構(gòu),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(dǎo)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(jìn)行頂料,在較大退料力的作用下,頂桿會(huì)直接壓入造成鍛件報(bào)廢。所以,采用接觸面積較大的臺(tái)階形退料器,一是可以增大頂料時(shí)的鍛件受力面積,二是臺(tái)階形的結(jié)構(gòu)能增大終鍛成形時(shí)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(shè)計(jì)了圖5的模具結(jié)構(gòu)。

      為確保鍛件的成形,在終鍛模飛邊槽設(shè)計(jì)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(jìn)行頂鐓聚。

      (2)終鍛 將頂鐓聚料后的坯料,移至終鍛模中進(jìn)行終鍛。

      在頂鐓聚料制坯和終鍛時(shí),應(yīng)對(duì)模具及時(shí)進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑,以確保模具的使用壽命,但由于預(yù)、終鍛模中存在下頂料機(jī)構(gòu),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(zhǎng)度不夠而報(bào)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(shí),應(yīng)制作一較長(zhǎng)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(shí),上端部分會(huì)有局部充不滿現(xiàn)象,此狀況不會(huì)影響終鍛成形。另外,由于退料時(shí)下頂出力極大,在分體下模的連接中,應(yīng)選擇使用12.9級(jí)的高強(qiáng)度螺釘,否則,會(huì)造成螺釘?shù)臄嗔讯鴩?yán)重影響生產(chǎn)。

      經(jīng)過批量生產(chǎn)使用,該模具結(jié)構(gòu)緊湊,工藝簡(jiǎn)單實(shí)用,達(dá)到了預(yù)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(jīng)力學(xué)性能檢測(cè)和加工使用,能夠完全滿足產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)要求,產(chǎn)品研制生產(chǎn)取得了成功。

      圖5

      圖6

      [1]宋黎明.鍛模設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999 .

      [2]張志文.鍛造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

      [3]中國(guó)機(jī)械工業(yè)學(xué)會(huì)鍛壓學(xué)會(huì).鍛造手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)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(shù),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

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