文/伏中夏，陸文淵·上海愛知鍛造有限公司

齒坯高速鍛造工藝開發(fā)應(yīng)用

文/伏中夏，陸文淵·上海愛知鍛造有限公司

上海愛知鍛造有限公司從瑞士HATUBER引進(jìn)AMP50-XL設(shè)備，其生產(chǎn)過程是全自動化，產(chǎn)品在設(shè)備中可一次性完成加熱、進(jìn)料、剪切、成形和鉆孔等工序。該設(shè)備具有如下特點(diǎn)：

⑴速度快，生產(chǎn)效率高，最高可達(dá)到100件/min。

⑵產(chǎn)品精度高，沒有飛邊。

⑶產(chǎn)品損耗小，廢料極少，材料利用率高，可到達(dá)90％以上。

⑷模具壽命長，由于熱鍛件和模具接觸時間較短，加上專門的冷卻系統(tǒng)，因此，極大地提高了模具壽命，模具壽命可達(dá)到上萬件。

上海愛知在齒坯高速鍛造工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

產(chǎn)品分類

乘用車變速箱齒輪每套有16件，主要是齒輪和齒套，同時上海愛知在該設(shè)備上還開發(fā)適合生產(chǎn)的內(nèi)星輪和外星輪，種類為四個大類，大大小小共計(jì)86件，如圖1所示。

圖1AMP50生產(chǎn)的主要品種

產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程

AMP50高速鐓鍛機(jī)的生產(chǎn)過程是全自動的，材料的加熱、進(jìn)料、剪切、鍛件的成形和廢料的分離是在一個連續(xù)的過程中完成的，并配備有機(jī)械手、探測傳感器、凹凸模可在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)的頂出裝置、可調(diào)節(jié)的機(jī)械手打開與合攏的凸輪系統(tǒng)和自動剔料裝置等，所以在模具設(shè)計(jì)過程中需要同時考慮諸多方面的因素，這與傳統(tǒng)的鍛模設(shè)計(jì)有很大的不同。同時整個成形過程采用的是閉式鍛造的方式，在模具設(shè)計(jì)的同時還需要考慮各工位的成形情況，合理安排鍛件尺寸和形狀。

鍛件及工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶提供的產(chǎn)品機(jī)加工圖和性能要求，設(shè)計(jì)產(chǎn)品鍛件圖和工藝路線，根據(jù)上海愛知的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定產(chǎn)品的材料、形狀和基本尺寸。因AMP50設(shè)備的剛性好，精度高，所以生產(chǎn)的零件精度較高，單邊的加工余量可達(dá)到0.5～1.2mm，尺寸公差達(dá)到0.4～1.0mm，遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)GB12361～12362-90規(guī)定的精密級的要求。當(dāng)用戶確認(rèn)我們的鍛件圖可行后，正式進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試制。將試制檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品提供給用戶試加工，檢驗(yàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否能滿足用戶的要求，最終確定產(chǎn)品的尺寸和工藝。

圖2AMP50-XL工位圖

模具設(shè)計(jì)

AMP50-XL高速鐓鍛機(jī)共有四個工位，如圖2所示，一般分配是第一工位為鐓粗工位，第二工位為預(yù)成形工位，第三工位為終成形工位，第四工位為沖孔工位。

機(jī)械手將上一道工位的坯料傳送到下一道工位，而每一道工位的坯料形狀一經(jīng)設(shè)計(jì)確定后，機(jī)械手上夾爪的直徑的調(diào)整也隨之確定。所以每一工位坯料的直徑值對于機(jī)械手的夾爪調(diào)整是至關(guān)重要的。因此，在設(shè)計(jì)模具前，先要確定各工位的鍛件形狀和尺寸，按照產(chǎn)品的重量選擇材料規(guī)格。

首先要選擇合適的材料直徑。材料規(guī)格選擇原則是，高徑比控制在1.1～1.9之間。若高徑比太小，會造成鐓粗件上下平面錯位；太大，則鐓粗時棒料會產(chǎn)生彎曲。因此，根據(jù)需要，盡可能將高徑比值控制在上述范圍中。這樣選擇，對模具磨損較小，設(shè)備的打擊力量也可以小一些，可更好地延長設(shè)備使用壽命。其次，按產(chǎn)品鍛件形狀，確定其各工位的熱態(tài)尺寸，因AMP50是密閉鍛造，所以對產(chǎn)品體積要求比較高。根據(jù)設(shè)計(jì)好的鍛件熱態(tài)尺寸和體積來確定一、二工位產(chǎn)品的大致尺寸和形狀。這兩個工位的產(chǎn)品形狀盡可能簡單，圓角盡可能大一些，這樣成形所需的力越小，模具壽命可以大大提高。而且，鐓粗直徑與下一工位凹模直徑差越小，坯料擠壓定位越正確，金屬流動性越好，沖頭不易折斷。然后，按照設(shè)計(jì)的鍛件圖計(jì)算出來的三工位鍛件的熱態(tài)尺寸，從而可以確定三工位凹模、凸模的成形部分的尺寸。根據(jù)需要，決定四工位是否需要沖孔及沖孔尺寸。最后將產(chǎn)品的各工位成形尺寸確定下來，繪制成產(chǎn)品的熱態(tài)圖，見圖3，供現(xiàn)場檢驗(yàn)用。

圖3齒坯的熱態(tài)圖（尺寸?。?/p>

AMP50-XL高速鐓鍛機(jī)的工作效率極高，這在很大程度上取決于速度快、定位準(zhǔn)確、安全可靠的傳送系統(tǒng)。當(dāng)前一工位的鍛件從凹模頂出后，被機(jī)械手裝置穩(wěn)穩(wěn)地夾住并傳送至下一工位，同時準(zhǔn)確定位后松開，然后返回前一工位進(jìn)行下一循環(huán)，所有這些動作都是在不到一秒的時間內(nèi)完成。機(jī)械手松開返回前應(yīng)保證此時的凹凸模的頂桿裝置已經(jīng)將鍛件夾住。所以設(shè)計(jì)時既要解決凸模與凹模推桿及時夾住鍛件的問題，又要考慮避免凸模與機(jī)械手相撞的問題，這就必須計(jì)算出凸模與機(jī)械手夾爪的安全距離。在計(jì)算此安全距離前，應(yīng)首先根據(jù)前后兩工位的鍛件直徑差，計(jì)算出機(jī)械手夾爪相應(yīng)打開時垂直方向所移動距離，然后，設(shè)定一個機(jī)械手打開角度，根據(jù)該角度查設(shè)備曲線圖，可以得到從鍛件被移到二、三工位模具中心到機(jī)械手打開的過程中，凸模向前移動的距離和機(jī)械手打開的距離，將這兩個值相加便可以得到一個安全距離。這個安全距離可以保證模具不會與機(jī)械手相撞，避免造成設(shè)備停機(jī)。

圖4AMP50-XL模具定時圖

在AMP50-XL高速鐓鍛機(jī)模具設(shè)計(jì)中，還有一項(xiàng)很重要的環(huán)節(jié)，即模具定時圖的確定，見圖4。主要是依據(jù)各個工位的鍛件形狀來確定模具在工作狀態(tài)時的幾個關(guān)鍵點(diǎn)，如機(jī)械手何時關(guān)閉、何時打開，機(jī)械手與模具間鍛件如何傳遞，傳遞過程中的模具與機(jī)械手的碰撞問題等。設(shè)計(jì)思路一般是確定第一工位（鐓粗）模具在各關(guān)鍵點(diǎn)的位置，然后確定第三（終成形）工位模具在各關(guān)鍵點(diǎn)的位置。其內(nèi)容主要是確定機(jī)械手夾爪的寬度與倒角、環(huán)形凹模的厚度、凸模夾持銷的行程等，最后得出機(jī)械手在何時打開為好的這一關(guān)鍵點(diǎn)位置。然后將這一確定位置代入第二工位（預(yù)成形）與第四工位（沖孔）中檢驗(yàn)是否可行，若發(fā)現(xiàn)這一位置在第二工位中模具可能與機(jī)械手夾爪碰撞、鍛件的傳遞工作不能正常進(jìn)行，或在第四工位中沖孔凸模與正在向本工位傳遞的鍛件發(fā)生碰撞等問題就需要修正第三工位這一關(guān)鍵點(diǎn)的位置，并且各相關(guān)模具的尺寸也須作相應(yīng)的調(diào)整，這一關(guān)鍵點(diǎn)的位置重新確定后再代入第二、第四工位中進(jìn)行檢驗(yàn)。如此反復(fù)多次，才能確定滿足各工位的這一關(guān)鍵點(diǎn)的位置。

常見的問題和解決辦法

⑴產(chǎn)品粘在凸模上。產(chǎn)品粘模是由于凸模圓角偏小或凹模的斜度偏大，這時可采取的方法有加大凸模圓角，減小凹模斜度或在凹模上增加阻力槽等措施。

⑵沖頭壽命短。沖頭壽命短的原因有沖頭圓角過小，工作負(fù)荷過大和模具材料不適宜等。因此，可以加大沖頭的圓角，減小沖頭的工作長度或更換性能更優(yōu)的材料。

⑶凹模推桿磨損快。當(dāng)凹模推桿出現(xiàn)磨損加快，有可能是因?yàn)槔鋮s水冷卻不到位或是模具材料有問題。一般的解決方法有調(diào)整冷卻水管的位置，將其對準(zhǔn)推桿，更換模具材料，選用耐熱性較好的材料。

⑷沖孔偏心。沖孔偏心主要是由于沖孔凹模帶有型腔，機(jī)械手傳送不到位，致使沖孔凸模與鍛件發(fā)生碰擦。解決方法是將凸模內(nèi)的脫模銷加長，這樣做可以在凸模未接觸鍛件之前，由脫模銷將鍛件定位到凹模型腔內(nèi)，避免了凸模與鍛件的碰擦。

伏中夏，技術(shù)部第一設(shè)計(jì)室室長助理，工程師，主要從事鍛件模具工藝開發(fā)設(shè)計(jì)，完成了多項(xiàng)產(chǎn)品的開發(fā)，如MQ200系列產(chǎn)品在AMP50上開發(fā)研究等。