文／李玲蔚，朱國(guó)英，馬臣，李鵬鵬·一汽鍛造（吉林）有限公司

齒輪是汽車變速箱的重要零部件，隨著汽車輕量化的不斷發(fā)展，對(duì)零部件的輕量化、精密化要求越來越高。一些高端乘用車變速箱上的齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，且在腹板上增加一定數(shù)量的孔來實(shí)現(xiàn)減重。本文主要介紹該類齒輪的鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)，以及利用Forge軟件對(duì)工藝方案進(jìn)行模擬分析。運(yùn)用模擬工藝及模具進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，鍛件形狀及尺寸完全滿足產(chǎn)品要求。

鍛造工藝分析

產(chǎn)品特點(diǎn)

我公司以往鍛壓機(jī)上生產(chǎn)的變速箱齒輪大多余量大，腹板處厚度大于10mm，成形難度低。該腹板沖孔類齒輪（圖1）為精密模鍛件，尺寸精度要求高(公差±0.5mm)，機(jī)加工余量小，腹板厚度僅6～7mm，腹板上有6～8個(gè)“腰”形長(zhǎng)孔，孔徑最小僅5mm，且均為非加工部位。圖2所示為產(chǎn)品三維模型。

鍛造難點(diǎn)

目前我公司主要采用閉式鍛造工藝來開發(fā)這類薄腹板帶減重孔的齒輪，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了工藝性及模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

鍛造過程中由于腹板薄，金屬流動(dòng)過程中冷卻速度快，導(dǎo)致金屬流動(dòng)困難，型腔不易充滿，尤其是輪緣內(nèi)側(cè)圓角部分。鍛件截面變化大，鍛打易發(fā)生變形，出現(xiàn)充不滿、折疊等問題。

圖1 產(chǎn)品簡(jiǎn)圖

圖2 產(chǎn)品三維模型

產(chǎn)品形狀復(fù)雜，帶雙側(cè)油槽及裝配凸臺(tái)，腹板孔與鍛件凸臺(tái)均有位置度及尺寸要求，且這些部位尺寸精度要求較為嚴(yán)格(公差±0.4mm)，毛坯尺寸控制難度大。鍛造沖孔工序同時(shí)沖多個(gè)腹板減重孔時(shí)，鍛件受力復(fù)雜，尺寸變化大。

圖3 鍛造工藝流程

鍛造工藝流程

為滿足鍛件尺寸要求，針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，制定了如下工藝方案：下料→中頻感應(yīng)加熱→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→沖孔、校正→拋丸→熱處理（正火）→終檢，鍛造工藝流程見圖3。

模具結(jié)構(gòu)研究

腹板沖孔齒輪類鍛件主要在鍛壓機(jī)上開發(fā)，其模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需符合設(shè)備參數(shù)要求。根據(jù)鍛件成形的工藝流程，將模具設(shè)計(jì)分為鍛模和沖校模具兩部分。

鍛模設(shè)計(jì)

鍛模包括鐓粗模、預(yù)鍛模以及終鍛模具。其中鐓粗、預(yù)鍛為預(yù)成形工步，主要起分配坯料的作用；終鍛為終成形工步，成形沖孔前的產(chǎn)品功能尺寸。鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響。

⑴分塊式模具結(jié)構(gòu)，降低模具成本，提高模具壽命。

以往的齒輪終成形部分模具多采用整體結(jié)構(gòu)，模塊尺寸大，深型腔部位難充滿、鍛造時(shí)易出現(xiàn)應(yīng)力集中開裂，凸芯子部位磨損快，模具成本高。現(xiàn)采用分塊式模具（圖4）結(jié)構(gòu)，在難充滿部位分塊，上下模各自分成模套和模芯兩部分，能有效的解決模具磨損、開裂及鍛件充不滿等問題，利于提高模具壽命。

模套與模芯之間采取間隙配合，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中模具受熱膨脹等因素影響，模芯易下沉發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象，造成鍛件厚度值超差。該系列產(chǎn)品厚度公差要求±0.5mm以內(nèi)，為提高產(chǎn)品一致性，模套與模芯之間配合間隙設(shè)計(jì)必須合理，在0.10～0.20mm范圍。

⑵雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，有效控制鍛件錯(cuò)差。

圖4 分塊模具結(jié)構(gòu)

腹板沖孔齒輪系列產(chǎn)品機(jī)械加工余量少，錯(cuò)差必須嚴(yán)格控制才能保證余量均勻、機(jī)加工不留黑皮。分塊式模具只靠上下模之間導(dǎo)向，生產(chǎn)中錯(cuò)差難以保證。經(jīng)分析研究，增加導(dǎo)向套實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)雙導(dǎo)向。模具工作時(shí)導(dǎo)向套與下模先實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，當(dāng)滑塊距離下死點(diǎn)10～15mm時(shí)，開始進(jìn)入上下模之間導(dǎo)向。這種結(jié)構(gòu)能夠有效減小因設(shè)備導(dǎo)軌間隙過大帶來的上下模運(yùn)動(dòng)偏差，同時(shí)也能夠減少因模具導(dǎo)向位置處的磨損帶來的偏差，實(shí)際生產(chǎn)中有效地將鍛件錯(cuò)差控制在≤0.4mm。

⑶增加定位凸臺(tái)，解決沖孔工序定位問題。

產(chǎn)品腹板孔位與雙側(cè)凸臺(tái)均有相對(duì)尺寸及位置要求(尺寸公差±0.5mm、角度公差±1°)，要保證沖孔后產(chǎn)品滿足要求，在沖孔工序必須進(jìn)行精準(zhǔn)定位。靠鍛件自身形狀無法實(shí)現(xiàn)，只能增加輔助定位即終鍛工步在減重孔位置設(shè)計(jì)“凸起連皮”(圖5)，沖孔工序連皮落入凹模實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，沖孔時(shí)將連皮沖掉，完全不影響產(chǎn)品外觀。

復(fù)合模設(shè)計(jì)

圖5 定位凸臺(tái)

該類齒輪大多腹板薄、孔多、鍛造及沖孔后鍛件極易變形，為保證產(chǎn)品要求沖孔、校正工步必不可少。由于設(shè)備問題，沖孔、校正工步在一臺(tái)壓床完成?？紤]到人員成本、生產(chǎn)節(jié)拍等因素，聯(lián)合模結(jié)構(gòu)不適用，需設(shè)計(jì)沖孔與校正一體的復(fù)合模。復(fù)合模能實(shí)現(xiàn)先沖孔后校正，可有效解決沖孔引起的齒輪腹板變形等問題，生產(chǎn)效率也高。

⑴采用氮?dú)鈴椈赏思?jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，解決拆裝難問題。

一般復(fù)合模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個(gè)部件關(guān)聯(lián)尺寸多，拆裝調(diào)整難。采用氮?dú)鈴椈蛇M(jìn)行退件，能有效解決沖后粘模問題?？紤]該系列產(chǎn)品腹板孔形狀位置的嚴(yán)密性，所有腹板孔小沖頭設(shè)計(jì)成沖頭座壓入式，簡(jiǎn)化了復(fù)合模結(jié)構(gòu)，便于生產(chǎn)中沖頭磨損、彎曲變形后拆裝更換。利于提高生產(chǎn)效率，并減少模具浪費(fèi)。

⑵仿形校正模設(shè)計(jì)，解決沖校后鍛件變形超差問題。

鍛件腹板沖孔過程中受力非常復(fù)雜，尺寸變化大，校正模設(shè)計(jì)難度大。校正模間隙設(shè)計(jì)不合理，會(huì)出現(xiàn)鍛件粘模、尺寸超差、定位包變形等問題，影響鍛件質(zhì)量。經(jīng)過多方評(píng)審論證、工藝模擬分析，校正模采用仿形設(shè)計(jì)，鍛件與模具定位部分設(shè)計(jì)0.15mm間隙，鍛件質(zhì)量極大程度改善。

模擬分析

利用Forge成形軟件對(duì)工藝及模具進(jìn)行模擬分析(圖6、圖7)，模擬初始條件設(shè)置如下：材料采用TL4227A，坯料初始溫度1200℃，模具材料H13，模具與坯料之間采用水+石墨的潤(rùn)滑，設(shè)備選擇2000t機(jī)械壓力機(jī)。按照工藝流程模擬，最終實(shí)現(xiàn)成形，鍛件充滿良好，模具結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 充滿示意

圖7 成形力

工藝驗(yàn)證

根據(jù)模擬結(jié)果，采用1600t鍛壓機(jī)和200t壓床進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，鍛件尺寸精度滿足圖紙要求，且質(zhì)量比較穩(wěn)定。只是后期沖孔模壽命偏低，引起鍛件腹板沖孔毛刺超差（圖8）；后續(xù)模具已進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，待批量生產(chǎn)驗(yàn)證。整個(gè)鍛造過程控制手段不全面，傳送帶不滿足要求，鍛件磕碰傷嚴(yán)重（圖9）。

圖8 沖孔毛刺

圖9 磕碰傷

結(jié)論

⑴運(yùn)用分塊結(jié)構(gòu)鍛模及沖校復(fù)合模進(jìn)行生產(chǎn)工藝驗(yàn)證，整個(gè)鍛造工藝過程穩(wěn)定，鍛造產(chǎn)品外形、尺寸及表面質(zhì)量完全滿足客戶要求。

⑵目前國(guó)內(nèi)關(guān)于乘用車變速箱齒坯腹板沖孔工藝有很大研究空間，掌握該技術(shù)可以提高企業(yè)的核心市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)今后類似產(chǎn)品的研發(fā)工作具有重要的影響。