文/阮發(fā)林·南車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司鍛壓事業(yè)部

優(yōu)化大徑厚比齒轂的鍛造工藝

文/阮發(fā)林·南車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司鍛壓事業(yè)部

對(duì)于徑厚比超過(guò)30的齒轂鍛件，傳統(tǒng)工藝鍛造力大，法蘭部位會(huì)出現(xiàn)折疊缺陷。基于應(yīng)變的等靜壓法優(yōu)化預(yù)鍛毛坯鍛造力，比傳統(tǒng)工藝的鍛造力低19.8%，鍛件成形良好無(wú)缺陷。本文結(jié)合缺陷形成的基本原理和工藝軟件模擬結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)缺陷的產(chǎn)生，結(jié)果更加準(zhǔn)確。

齒轂作為重型工程機(jī)械和重型卡車(chē)離合器中受力條件最復(fù)雜的從動(dòng)零件，必須具備優(yōu)良的機(jī)械性能，諸如減振性強(qiáng)、耐沖擊、傳遞扭矩能力強(qiáng)。在起動(dòng)和重載制動(dòng)時(shí)，其受力條件更為惡劣。因而齒轂必須有足夠的鍛造比，從而達(dá)到足夠的剪切、擠壓和彎曲強(qiáng)度。

齒轂制造的一般工藝路線為下料→制坯→模鍛→檢查。傳統(tǒng)工藝由兩臺(tái)壓力機(jī)生產(chǎn)線生產(chǎn)或者單臺(tái)壓力機(jī)兩火次生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中耗能大、效率低，鍛件表面質(zhì)量差。南車(chē)戚墅堰所采用220MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，其連續(xù)運(yùn)行能力為180MN，能夠滿足多工位一火次鍛造，生產(chǎn)效率高，鍛件表面質(zhì)量?jī)?yōu)良。大徑厚比齒轂鍛造工藝的優(yōu)化從材料流動(dòng)速度場(chǎng)的角度，分析出計(jì)算機(jī)模擬不出來(lái)的鍛造缺陷的產(chǎn)生過(guò)程，降低了生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

產(chǎn)品工藝性分析

圖1為齒轂鍛件圖，該鍛件外徑較大，平均厚度只有17.5mm，平均徑厚比為31.2，L/D=0.032～0.042，鍛件復(fù)雜系數(shù)為S4。鍛件除內(nèi)孔、內(nèi)孔上下端面以及齒形加工法蘭面需要加工外，其余腹板均為非加工面，表面質(zhì)量要求高。

法蘭的成形需要經(jīng)歷正反彎曲過(guò)程，材料流動(dòng)性復(fù)雜，容易出現(xiàn)折疊等缺陷。法蘭底面圓角較小，需要較大的成形力而且極易出現(xiàn)缺肉現(xiàn)象?；诹慵男阅芗耙螅溴懺毂纫笥?，材料流動(dòng)劇烈，模具潤(rùn)滑要求嚴(yán)格，傳統(tǒng)工藝模具壽命較小，一般生產(chǎn)400件左右就需要大修。

圖1 齒轂鍛件圖

鍛造工藝過(guò)程分析與優(yōu)化

工藝設(shè)計(jì)

由于鍛造比較大，因此下料選擇φ180mm的圓鋼。鍛件的平均厚度較小，鍛件溫度下降較快，終鍛只允許一次鍛打，從而造成變形速度非常大，材料流動(dòng)劇烈。傳統(tǒng)工藝的出坯和終鍛成形力較大，終鍛法蘭成形包含彎曲和增厚過(guò)程，材料流動(dòng)劇烈，容易因紊流造成折疊，因此預(yù)鍛毛坯的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。預(yù)鍛毛坯設(shè)計(jì)方法有指數(shù)法、拋物線法、等靜壓法等等。出坯的形狀和尺寸很大程度上決定了鍛件的成形過(guò)程，就出坯形狀設(shè)計(jì)了3組工藝，分別用鍛造工藝模擬軟件DEFORM模擬情況和220MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上工藝試制情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。工藝1為φ180mm下料→鐓粗至φ400mm→終鍛。

■ 表1 模擬成形力對(duì)比

工藝1鐓粗直徑太小，法蘭成形經(jīng)歷兩次彎曲易出現(xiàn)缺陷，因此工藝2增大了出坯直徑，φ180mm下料→平板鐓粗至φ540mm→終鍛。

工藝1和工藝2改變不了法蘭成形時(shí)的材料紊流現(xiàn)象，無(wú)法從根本上解決鍛造缺陷，因此運(yùn)用基于應(yīng)變的等靜壓法設(shè)計(jì)工藝3的預(yù)鍛工藝為φ180mm下料→異形鐓粗至φ540mm→終鍛。

DEFORM模擬結(jié)果分析

為了保證模擬結(jié)果的可比性，除出坯模具外均選用相同的工藝參數(shù)，例如模具溫度、摩擦系數(shù)、成形設(shè)備等。工藝關(guān)心的是各階段成形力和法蘭的成形結(jié)果，為了節(jié)省內(nèi)存取1/12的模型進(jìn)行模擬。

⑴成形力。

圖2 終鍛成形過(guò)程

表1為三種工藝各成形階段成形力。分析各工藝可知鐓粗直徑增大，成形力增大的非常明顯。同樣的鐓粗直徑，工藝3的成形力比工藝2減小7%。同時(shí)制坯直徑越大，終鍛變形量越小，終鍛力也越小。成形到名義尺寸工藝1和2均超出了設(shè)備連續(xù)運(yùn)行能力（180MN），試制成形時(shí)會(huì)導(dǎo)致鍛件超厚。工藝2終鍛力比工藝1小6.2%，而工藝3成形力大大降低，同比工藝1下降19.8%，可以在220MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上連續(xù)鍛造。

⑵法蘭成形過(guò)程。

三種工藝成形過(guò)程如圖2。工藝1首先是盤(pán)轂中心凸臺(tái)成形，然后材料徑向流動(dòng)，經(jīng)過(guò)正反彎曲過(guò)程后法蘭成形，最后充滿部位為法蘭上中部。工藝2的坯料直徑較大，先發(fā)生彎曲變形，然后中心凸臺(tái)和法蘭幾乎同步成形，法蘭上中部最后充滿。工藝3先發(fā)生彎曲，法蘭率先成形，之后成形盤(pán)轂的腹板面，同時(shí)形成飛邊，最后成形部位為盤(pán)轂的中心凸臺(tái)。

圖3 折疊角后處理結(jié)果

圖4 法蘭成形速度場(chǎng)

三種工藝模擬都成形良好，模具最小接觸距離和折疊角（圖3）的后處理顯示最終鍛件無(wú)缺肉和折疊。終鍛一次成形，材料流動(dòng)速度較大，而且法蘭部位材料流動(dòng)方向較為復(fù)雜，易出現(xiàn)鍛造缺陷，因而就法蘭部位成形過(guò)程的速度場(chǎng)進(jìn)行著重研究。

圖4(a)所示的工藝1中，坯料均由鐓粗經(jīng)斜面擠出，流動(dòng)速度非?？欤?500mm/s以上），坯料繼續(xù)流動(dòng)首先接觸到下模法蘭部位發(fā)生類(lèi)似“回流”現(xiàn)象，同時(shí)坯料發(fā)生彎曲。坯料繼續(xù)徑向流動(dòng)接觸到下模橋部，此部位材料的流動(dòng)方向主要是徑向，導(dǎo)致“回流”現(xiàn)象更加明顯，形成材料表面拉入內(nèi)部形成折疊。同時(shí)坯料彎曲時(shí)的“壓印”也由徑向向外流動(dòng)，法蘭上部出現(xiàn)了內(nèi)凹現(xiàn)象。上模繼續(xù)下行，橋部形成，法蘭下部基本充滿，上部坯料的凹坑更加明顯，由于腹板部位的坯料繼續(xù)向外快速流動(dòng)，靠近上模橋部坯料受到阻力向外流動(dòng)較慢，法蘭上部最后成形部位坯料可能形成回流，造成折疊缺陷。

圖4(b)所示的工藝2中，由于鐓粗直徑加大，中心部位材料減少，在彎曲時(shí)材料流動(dòng)速度（1600mm/s左右）明顯比工藝1低，接觸下模時(shí)也未發(fā)生“倒流”現(xiàn)象，但彎曲“壓印”流動(dòng)現(xiàn)象仍然存在，只是內(nèi)凹的程度有所降低。筆者預(yù)測(cè)法蘭上部有折疊，較工藝1缺陷深度有所下降。

圖4（c）所示的工藝3中，由于鐓粗坯料的改進(jìn)，首先發(fā)生彎曲，法蘭部位坯料較多，彎曲“壓印”部位坯料發(fā)生雙向流動(dòng)，“壓印”不會(huì)流動(dòng)，法蘭部位發(fā)生類(lèi)似鐓粗成形，法蘭完全成形后才發(fā)生坯料完全徑向向外流動(dòng)，因此法蘭成形良好。在齒轂的成形過(guò)程中，材料的徑向向外流動(dòng)僅發(fā)生在最后成形階段，因此成形力的降低也較為明顯。

⑶鍛件試制結(jié)果分析。

由圖5可見(jiàn)工藝1和工藝2試制出的齒轂法蘭正反面均有折疊出現(xiàn)，工藝1的折疊現(xiàn)象更為明顯，而工藝3試制出的齒轂鍛件法蘭部位未見(jiàn)任何質(zhì)量缺陷，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良。而且工藝1和2試制出的齒轂明顯偏厚，法蘭部位甚至出現(xiàn)缺肉現(xiàn)象，打擊力過(guò)大，超出了設(shè)備的能力。

結(jié)束語(yǔ)

圖5 三種工藝試制齒轂法蘭正反面

圖6 齒轂鍛件

基于應(yīng)變的等靜壓法設(shè)計(jì)的出坯形狀可使鍛件成形良好無(wú)缺陷，而且鍛造力下降較為明顯，模具壽命有較大的提高，模具的修理頻率大大降低。在鍛造工藝設(shè)計(jì)研發(fā)階段運(yùn)用DEFORM進(jìn)行工藝預(yù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越多，同時(shí)工藝人員對(duì)軟件的依賴(lài)性也越來(lái)越大。然而軟件的缺陷預(yù)測(cè)基于計(jì)算結(jié)果的極限值（比如預(yù)測(cè)折疊的折疊角），不能完全反應(yīng)真實(shí)的情況。

阮發(fā)林，工程師，主要負(fù)責(zé)大型模鍛件模具設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、電動(dòng)螺旋壓力機(jī)應(yīng)用。