文/趙一平·中國鍛壓協(xié)會首席專家

熱精密閉式模鍛技術(shù)（下）

文/趙一平·中國鍛壓協(xié)會首席專家

《熱精密閉式模鍛技術(shù)（中） 》見2012年第9期

FG半軸齒輪閉塞模鍛應(yīng)用實(shí)例

零件圖和鍛件圖

FG汽車差速器半軸齒輪的零件圖、鍛件圖分別見圖7、8（端面模數(shù)6.35mm，齒數(shù)22，壓力角22°30′，分度圓直徑139.70mm，齒頂高4.45mm，齒全高12.61mm，節(jié)錐距78.09mm，面錐角69°20′，節(jié)錐角63°26′，根錐角55°6′，齒圈跳動0.08mm，徑向綜合公差0.11mm，相配合零件號：SK04-151-02，相配合齒數(shù)11，鍛件三維見圖9，鍛件圖齒形和前端面形狀和尺寸與零件圖完全相同，其余部位增加1.5mm的加工余量和模鍛斜度3°～5°。

圖7 FG差速器半軸齒輪零件圖

圖8 FG差速器半軸齒輪鍛件圖

直齒錐齒輪精度

商用車差速器齒輪采用直齒錐齒輪，我國直齒錐齒輪執(zhí)行GB/T11365-1989國家標(biāo)準(zhǔn)，按照國內(nèi)商用車差速器齒輪一般齒數(shù)9～16齒和模數(shù)6～10mm。國家標(biāo)準(zhǔn)中齒輪精度評價的指標(biāo)很多，但國內(nèi)評價差速器齒輪精度主要有五項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，齒圈徑向跳動、齒距累積誤差、齒距極限偏差評價單個齒輪的精度，齒輪副軸交角綜合公差和齒輪副－齒軸交角綜合公差評價一對齒輪嚙合精度。另外兩大技術(shù)指標(biāo)：齒側(cè)間隙和接觸區(qū)主要是靠機(jī)械加工工藝確定和過程控制來保證，與鍛造工藝關(guān)系不大，而且汽車差速器齒輪是特殊的直齒錐齒輪，一般產(chǎn)品圖紙都會有明確的技術(shù)要求。

圖9 FG半軸齒輪鍛件三維圖

零件基本參數(shù)和坯料尺寸

零件材料20CrMnTiH，鍛件質(zhì)量2.89kg。由于是閉塞模鍛，故取半軸齒輪鍛件圓柱部位φ79mm尺寸為坯料直徑。實(shí)際是采用直徑φ80mm坯料，然后用車床將φ80mm切削至φ79mm。由體積不變原則計(jì)算得坯料長度為75mm。坯料尺寸為φ80mm×75mm。對于精密模鍛坯料應(yīng)按質(zhì)量下料，經(jīng)過計(jì)算，坯料質(zhì)量為2960g，質(zhì)量公差取±0.5％，即±15g，所以坯料下料質(zhì)量規(guī)格為（2960±15）g。

工藝分析

FG汽車差速器半軸齒輪熱精密模鍛時，齒形精度要求10級或11級，齒形表面粗糙度Ra要達(dá)到3.2μm。并且要求端面R為6.5mm的凹槽和內(nèi)孔30°斜面不機(jī)械加工，表面粗糙度Ra要達(dá)到3.2μm。另外，還要沖孔（沖除內(nèi)孔的連皮），最后冷切邊。模具壽命應(yīng)大于5000件，其條件苛刻。因此，該半軸齒輪熱精密模鍛工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造的重點(diǎn)和難點(diǎn)是確保齒形精度及表面粗糙度、模具壽命，并且防止沖孔時齒形變形。

如果要保證鍛件的齒形精度，就必須保證模具的齒形精度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般模具的齒形精度傳遞到鍛件上時，齒形精度會降低1～2級，故模具齒形精度應(yīng)達(dá)到8級精度。用電極加工模具時，模具的精度也會降低1級。所以，如果采用電極加工模具齒形，電極的齒形精度要保證6級精度，甚至更高的精度。這樣鍛出來的齒形精度也會隨之提高。另外由于模具在生產(chǎn)時要磨損，齒形精度會慢慢降低，所以在鍛造過程中要進(jìn)行抽檢。為使齒形表面粗糙度Ra達(dá)到3.2μm，就要確保齒輪模具粗糙度Ra達(dá)到0.8～1.6μm，還要避免鍛造時氧化皮壓入鍛件表面所產(chǎn)生的氧化坑，最好采用無氧化加熱，這樣方可保證齒形對表面粗糙度的要求。當(dāng)然，如果能兼顧到模具壽命，也可以降低坯料終鍛溫度以提高表面粗糙度。由于FG半軸齒輪批量大，采用閉塞模鍛，并應(yīng)采用綜合性能優(yōu)的耐熱模具鋼和表面離子氮化強(qiáng)硬化處理。

鍛造力計(jì)算

⑴FG半軸齒輪鍛造力：

P＝βKσF＝1×1×70×154＝10780kN

式中P——鍛造力，kN；

β——設(shè)備修正系數(shù)，初選12.5MN鍛造壓力機(jī)，取β＝1；

K——鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)，直齒錐齒輪是鐓擠成形，復(fù)雜程度一般，取K＝1；

σ——是金屬變形抗力，kN/cm2，20CrMnTiH，鍛造溫度為（1230±20）℃，閉式模鍛取σ＝70kN/cm2；

F——是鍛件投影面積，cm2，F(xiàn)＝0.7854×142＝112cm2。

⑵閉塞模鍛合模力（閉塞力）。初始凹模合模力約5000kN，下凸模（沖頭）終鍛力3500kN，終鍛凹模合模力7300kN。若取充不滿系數(shù)0.9，則終鍛合模力為6500kN。以上力的數(shù)值是由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬獲得，需要經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測核對。

設(shè)備選擇

⑴設(shè)備選擇。根據(jù)以上計(jì)算，F(xiàn)G半軸齒輪鍛造力為10780kN，初步選擇12.5MN鍛造壓力機(jī)。其模架最大封閉高度800mm，工作臺尺寸1060mm（長度）×1250mm（寬度）。核實(shí)模具最大封閉高度800mm是否夠用。另外，還要制作FG半軸齒輪閉塞模鍛過程的鍛造力和變形量，并核對設(shè)備的壓力－行程曲線。

⑵核對12.5MN鍛造壓力機(jī)封閉高度。閉塞鍛造模架由于有三塊底座，即上底座、活動底座和下底座，其總高度一般約占模具最大封閉高度80％以上，即800mm×0.8＝640mm，其平均厚度200mm以上，強(qiáng)度足夠。FG差速器半軸齒輪采用單動閉塞模架，并將氮?dú)飧撞贾迷诠ぷ髋_下部，封閉高度800mm足夠。但是若在模座內(nèi)布置液壓缸或氮?dú)飧?，這就顯得緊張了。

生產(chǎn)線設(shè)備組成

⑴下料。高速帶鋸床下料，坯料下料質(zhì)量規(guī)格為（2960±15）g。坯料端面斜度≤1°。

⑵加熱。500kW，2500Hz中頻感應(yīng)加熱爐（無氧化加熱），坯料加熱溫度為（1180±20）℃，配備坯料溫度自動監(jiān)控和自動分選機(jī)構(gòu)。

⑶閉塞模鍛成形。12.5MN鍛造壓力機(jī)，一次閉塞模鍛成形，水基石墨潤滑劑冷卻和潤滑模具，每鍛一件噴水基石墨潤滑劑一次。

⑷沖孔。2500kN機(jī)械壓力機(jī)，沖除終鍛件的“孔連皮”。

⑸冷切邊。2500kN機(jī)械壓力機(jī)，切除齒形之間的“飛邊連皮”，某企業(yè)采用齒輪背錐粗加工后冷切邊，這樣切口質(zhì)量好，并將切邊沖床放在粗加工機(jī)床旁邊。

工藝流程和檢驗(yàn)

⑴工藝流程。下料→車外徑φ79～80mm（去除表面缺陷）→中頻感應(yīng)加熱（1180℃±20℃）→閉塞模鍛成形（坯料鍛造溫度≥1150℃，模具預(yù)熱溫度150～200℃）→沖孔（除孔連皮）→粗加工→冷切邊→正火→熱處理（滲碳淬火）→清理（噴丸）→精磨加工→檢驗(yàn)→包裝入庫。

⑵首五件檢查和過程檢驗(yàn)。1）首五件檢查。每天上午和下午開始生產(chǎn)時，首先鍛造五件，進(jìn)行全尺寸檢查，對于齒形精度作專檢，并記錄。2）批次檢查。每鍛造500件為一批次，抽取三件樣品全尺寸檢查，齒形精度作專檢，全部作記錄。檢查是差速器齒輪鍛件質(zhì)量控制點(diǎn)，作專門監(jiān)督控制。

閉塞模架

閉塞鍛造模架是直齒錐齒輪熱精密閉塞模鍛極為重要的裝備，其結(jié)構(gòu)特征、維修鑒定管理等都決定了半軸齒輪精鍛件質(zhì)量的優(yōu)劣。圖10是以FG差速器半軸齒輪為基礎(chǔ)，并考慮其通用性要求設(shè)計(jì)的閉塞鍛造模架。12.5MN鍛造壓力機(jī)最大封閉高度800mm，三塊底座（或稱底板和模座），即上底座、活動底座和下底座，其總高度一般約占模具最大封閉高度80％以上，即800mm×0.8＝640mm，其平均厚度200mm。模架的模具安?？臻g取φ400mm×180mm。根據(jù)需要，取FG差速器半軸齒輪下頂出桿行程90mm（設(shè)備下頂出桿最大行程100mm），上頂出桿行程20mm（設(shè)備上頂出桿最大行程40mm）。上底座、活動底座和下底座以及安裝模具的墊板采用5CrNiMo，導(dǎo)柱采用20CrMnTi，導(dǎo)套采用銅合金。

圖10 12.5MN鍛造壓力機(jī)閉塞鍛造模架

成形模膛和模具

⑴成形模膛。閉塞鍛造模膛和普通模鍛一樣，按熱鍛件圖設(shè)計(jì)，見圖11。齒形尺寸應(yīng)考慮坯料和模具熱收縮率，其他部位僅考慮坯料熱收縮率即可。

1）齒形之外尺寸。熱鍛件圖熱收縮率取1.5％（按終鍛溫度1180℃±20℃確定）。齒形前端面和φ57mm×30°斜面不加工，沒有加工余量。其他部位，如背錐、φ79mm軸頸和端面以及φ45.7mm內(nèi)孔部位取加工余量為1.5mm，內(nèi)孔模鍛斜度取5°，φ79mm軸外徑模鍛斜度取3°。內(nèi)孔設(shè)計(jì)沖孔連皮，連皮厚度8.3mm，然后沖連皮除之。

2）齒形尺寸。因?yàn)辇X形部位不進(jìn)行機(jī)械加工，且精度要求高（10級），粗糙度低（Ra要求達(dá)到3.2μm），所以在設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮在成形后即可達(dá)到半軸齒輪零件齒形精度。鍛件終鍛溫度≥1150℃，模具溫度為200℃，并設(shè)鍛件線膨脹系數(shù)和模具線膨脹系數(shù)一致，取11.7×10-6（1/℃）。

圖11 FG半軸齒輪熱鍛件圖

計(jì)算齒形熱膨脹修正系數(shù)K為

K=（1+α1T1）/（1+α2T2） ＝（1+1180×0.0000117）/（1+200×0.0000117）＝1.01144

齒輪鍛件熱收縮率為1.01144％，采用數(shù)控銑加工電極，故應(yīng)修正模數(shù)：

m2＝Km1＝1.01144×6.35＝6.42mm

αj2＝αj1＝22°30′

式中 m2——是模具齒形模數(shù)；

K——是齒輪鍛件熱膨脹修正系數(shù)，K＝1.01144；

m1—— 是齒輪模數(shù)，m1=6.35，（mm）；

αj2——是模具齒形壓力角，（°）；

αj1—— 是 鍛 件 齒 形 壓 力 角，（°），αj1=22°30’。

所以電極（模膛）的齒形模數(shù)為m2=6.42mm，再根據(jù)計(jì)算公式，計(jì)算出其他的齒形參數(shù)。如電極分度圓直徑d2＝K×d1＝1.01144×139.70＝141.3mm。 其中，d1是齒輪零件齒形分度圓直徑，d1=139.70mm。

⑵模塊結(jié)構(gòu)。

模具采用鑲塊結(jié)構(gòu)見圖12，這可以節(jié)省價格昂貴的模具鋼，減少制造成本。上凸模和下凸模都配裝有頂出裝置，采用圓形鎖扣。

圖12 FG半軸齒輪閉塞模具圖

⑶模具材料和熱處理。

1）模具材料。由于閉塞模鍛一般不設(shè)置預(yù)鍛模膛，模具工作環(huán)境惡劣，選擇日本DAC（SKD61）材料，模具硬度為47～49HRC；沖頭和頂料桿工作時，在熾熱金屬包圍中，極易回火軟化，易過早造成沖頭和頂料桿塑性變形和磨損而損壞。選擇高耐熱模具鋼YEM－K（日立公司），硬度為50～54HRC。2）模具熱處理。凹模和沖頭采用真空熱處理爐進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理（淬火加兩次高溫回火）。3）氮化處理。齒輪模具在調(diào)質(zhì)熱處理后，為增加齒形表面的硬度，采用離子氮化表面強(qiáng)化處理，氮化層深度0.2～0.3mm，硬度達(dá)到1000HV（70HRC）左右，一般可提高模具壽命50％以上。