文 / 孟俊，張向卓 · 陜西法士特齒輪有限責任公司

驅動齒輪類零件具有直徑小、厚度大、內孔大的特點。在鍛造成形過程中極易在上模內孔上產生折疊的鍛造缺陷。

圖1 為某公司設計的某副箱驅動齒輪毛坯示意圖，該齒輪產品外徑為φ156.7mm，總厚度為97.1mm。針對該類直徑小、厚度大類似法蘭盤的零件，某公司毛坯生產大多設計為錘上開式的工藝。

圖1 副箱驅動齒輪閉式毛坯示意圖

錘上開式工藝

開式模鍛是最廣泛使用的模鍛方法，優點在于飛邊起到了補償、緩沖作用，保證了生產工藝的穩定性和復雜平面的鍛造成形，但是其飛邊材料損耗為鍛件重量的10%～50%，平均約為30%，而材料費占模鍛件成本的60%～70%。圖2 為相應的開式熱鍛件圖。

圖2 驅動齒輪開式熱鍛件圖

錘上閉式工藝

閉式模鍛亦稱無飛邊模鍛，坯料在封閉型槽內以鐓粗或擠壓的方式變形成鍛件。同開式模鍛相比，閉式模鍛比采用開式模鍛所需的變形力和變形功約低30%～50%，可大大提高金屬材料的利用率和鍛件精度，鍛件表面質量好，金屬纖維分布更加合理。圖3為相應的閉式熱鍛件圖。

圖3 驅動齒輪閉式熱鍛件圖

但是在上模內孔處(圖4 紅色圓圈處)極易出現鍛造折疊缺陷，由于此類零件內孔窄而深，鍛造過程中內孔處上部和下部金屬極易充滿型腔，而中間金屬沒有充滿，隨著變形金屬在型腔中的流動，在內孔中部就會產生一個空穴，最終在此處金屬上下部匯合充填，產生折疊。

圖4 錘上閉式內孔出現折疊狀態

熱模鍛閉式工藝

毛坯圖的制定

根據毛坯圖輪廓(圖5)整體單邊余量2mm(細實線部分為最終產品圖輪廓)，允許上尖點處未充滿圓角≤R4mm。鍛件重量7.95kg。

圖5 毛坯圖

熱鍛件圖的制定

終鍛件圖的制定主要考慮兩點：⑴熱收縮率，對中、低碳素鋼和低合金結構鋼在熱模鍛溫度時，鍛件圖上所有尺寸的線性熱收縮率一般選用1.5%，將冷鍛件整體尺寸乘以1.5%即可獲得終鍛工步圖；⑵鍛件外形尺寸，終鍛熱鍛件圖的形狀尺寸一般與冷鍛件圖對應，但可根據模鍛情況對局部尺寸作適當修整，比如沖孔變形，圖6 中尺寸φ62.5mm 的孔按熱收縮率1.5%在熱鍛件圖中應為φ63.4mm，而最終設計時是φ62.6mm，縮了0.8mm，這是因為熱沖孔時變形，該尺寸會變大，而增加的余量，同樣φ130.4mm 也是考慮到沖孔變形而增加了0.6mm 的余量。

圖6 熱鍛件圖

預鍛熱鍛件圖的設計根據是終鍛熱鍛件圖，熱模鍛壓力機主要有三個工步：鐓粗、預鍛、終鍛。鐓粗一般設計成平鐓粗，鐓粗成圓餅子，終鍛件圖根據零件圖設計，而預鍛件圖的設計是最為關鍵的，也是自由度最大的，為終鍛做準備，主要起一個分料的作用，應使設計的預鍛件在終鍛型槽內盡可能鐓粗成形。

此次在設計預鍛型腔時，主要有三種不同設計思路：

⑴為使預鍛件在終鍛時更好的定位和防止形成折疊，靠外圓定位，如圖7 所示，預鍛下模的形狀尺寸應與終鍛下?；疚呛?，預鍛上模設計成與終鍛上模形狀相近，當模擬到終鍛連皮17.4mm 時，內部很明顯還有3 處未充滿，如圖8 所示。

圖7 鐓粗后坯料放入預鍛型腔

圖8 終鍛時內部未充滿

⑵預鍛上模設計成簡單的大凸臺，如圖9 所示，同時為使預鍛件能進入終鍛上模窄而長的型腔內，如圖10 所示，將預鍛下模外圓直徑縮小，使預鍛件放入終鍛型腔不靠外圓定位，而是靠終鍛下模的窄且深的型腔定位。

圖9 鐓粗后坯料放入預鍛型腔

圖10 預鍛后坯料放入終鍛型腔

從圖11 可看出當模擬到終鍛連皮厚度為17.4 mm時，對比圖8 內部很明顯已充滿，但在終鍛模擬中當連皮厚度為20mm左右時，圖12 中紅圈部位出現折疊。

圖11 終鍛時內部充滿

圖12 終鍛過程中(連皮20mm)出現折疊

⑶對比以上兩種設計思路，就最終鍛件充滿性而言，第二種設計思路更好，但是第二種設計方案在終鍛成形Deform 模擬過程中，在上模內孔處有產生折疊的趨勢。針對上述兩種設計思路，綜合考慮鍛件最終的充滿和折疊兩種因素，設計出一方面能夠保證鍛件的充滿，另一方面避免鍛件產生折疊缺陷的預鍛工步圖。

鐓粗后的餅類件放在預鍛型腔中以下模內孔定位(圖13)；預鍛上模不做出圖7中紅色方塊部分，這樣預鍛分料時，盡可能將料保留到內部，外部料分的少，確保終鍛時當外部快充滿時內部已完全充滿，終鍛Deform 有限元模擬時，當分模面處快充滿，連皮厚度為17.4mm 時，型腔內部已充滿(圖14)，因為此類形狀零件在終鍛成形時料極易往外排，導致內部充滿性不好；將預鍛連皮厚度由原來的52mm增加到62mm，通過Deform 有限元模擬，鍛件在終鍛模擬過程中(圖15)，沒有產生折疊的趨勢(圖16)，因為當預鍛連皮薄時，也就是預鍛件上凸臺高時，預鍛件放入終鍛型腔，在終鍛成形過程中，在終鍛上模內孔處由于型腔窄而長，極易在內孔中間部位產生折疊；預鍛型腔設計的比終鍛型腔大13%，一般設計預鍛型腔比終鍛型腔大8%左右，因為此形狀的預鍛型腔，在成形過程中，料沿著預鍛上模往外流動很快，預鍛極易出現毛刺，當終鍛時毛刺壓入型腔產生折疊。

圖13 鐓粗后坯料放入預鍛型腔

圖14 終鍛時內部充滿

圖15 預鍛后坯料放入終鍛型腔

圖16 終鍛過程(連皮20mm)

綜合上述三種方案，最終選擇第三種設計思路進行模具設計。而實際生產中也驗證了上述觀點，采取第三種方案設計模具時，鍛件充滿性好，且無其他折疊等鍛造缺陷。

結論

本文通過對驅動齒輪類零件不同工藝設計的對比，得出以下結論：

⑴預鍛型腔不一定要完全根據終鍛型腔而設計，要具體情況具體對待。

⑵預鍛型腔設計時一方面要考慮分料，另一方面也要考慮料的相對流速。

⑶此類零件在上模內孔處極易產生折疊，預鍛連皮設計的要相對厚些。

⑷此類零件的預鍛型腔體積要大一些，否則預鍛易出毛刺，在終鍛時毛刺壓入型腔產生折疊。

⑸該驅動齒輪類零件的模具設計對其他相似件模具結構的設計具有借鑒和參考意義。

——文章來源：《鍛造與沖壓》2021年第3期