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江叔通 摘要：齿坯闭式模锻锻件分精密级和普通级，但国家标准定义的精密级锻件留有单边加工余量，仍需进行粗车和精车。在精密锻造基础上，研究精化齿坯热锻工艺，以进一步提高锻件精度等级，达到减少单边加工余量，进而使精化齿坯直接用于精车。本文对精化齿坯热锻工艺进行了定义，并明确该工艺单边加工余量的范围。因制坯和预锻是决定精化齿坯热锻工艺质量的关键，因此对其工艺流程和工艺重点进行了分析，同时对满足该工艺的设备和模座进行了论述。 关键词：热锻工艺；精化齿坯；精密级；加工余量 齿坯是制造齿轮用的圆形毛坯，经过粗车和精车，再经机械加工出齿形（滚齿或铣齿）和其他所要求的形状后成为齿轮成品。对于需求量大的齿坯，需采用高精度、高效率的工艺方法生产，一般采用的是模锻工艺，齿坯模锻工艺[1]有开式模锻和闭式模锻两种。开式模锻工艺的缺点是由于存在飞边而造成材料利用率低，齿坯闭式模锻工艺是针对开式模锻的缺点而设计的一种工艺，优点是不产生飞边，减少了加工余量和拔模斜度，进而提高了材料利用率；但该工艺增加了锻造工艺难度，模具结构变得复杂，同时对下料重量的偏差提高了要求。 齿坯闭式模锻的锻件分精密级和普通级，锻件图根据GB/T 12362-2003标准[2]中精密级设计锻件公差和加工余量，以某个锻件质量为1.78kg的齿坯为例，零件表面粗糙度参数Ra=1.6μm，形状复杂系数S2，最大外径覬115mm，获得该锻件的余量标准是厚度和外径方向的单边余量都为1.7mm~2.2mm，公差为1.8 国内对齿坯类的产品精密锻造方面和加工余量有如下研究。蒋鹏[3]对汽车用齿坯的精密锻造技术进行了论述，其中高速热镦锻技术中描述锻件留的单边加工余量为1mm或以上。张军[4]等对精锻齿坯工艺在JC系列锻造压力机上的生产应用中阐述了毛坯的加工余量为粗加工尺寸上留单面1mm的加工余量。张宝林[5]对在摩擦压力机上的无飞边精锻齿坯下料重量的控制进行了论述，文章中展示的锻件图说明覬179mm的外径尺寸单边加工余量2.8mm，38mm厚度单边加工余量为2.5mm，说明该锻件为闭式模锻精密齿坯。何树国等[6]分析了等温成形、温挤压等毛坯精化技术在轻武器行业的应用，但尺寸精化到具体程度未有具体叙述。胡亚民等[7]论述了发展摩擦压力机模锻是精化锻造毛坯的重要方向，其中摩擦压力机上锻造的毛坯精度可达到精密级。 综上所述，国内在齿坯精密锻造方面有较多研究，但对精密锻造时给予加工余量是多少算是精化齿坯未给予明确的论述。为此，本文对精化齿坯的界定和实现精化齿坯热锻工艺进行论述。 1 精化齿坯概述文献[8]中精密锻件（close tolerance forging）定义为尺寸公差比普通精度锻件小的锻件，只是在尺寸公差上要求提高了，加工余量与普通级锻件一样。文献[9]中钢质精密热模锻件（steel precision hot forg－ings）定义为在热锻工艺温度范围内，通过高精度模具、专用模架及设备获得高尺寸精度，并满足质量公差要求的热模锻件，相对于文献[2]，只是公差方面进行了提高（1.1 现有的精密热模锻锻件较为普遍的车工序工艺流程为粗车（单边加工余量1.2mm~1.5mm）+精车（单边加工余量0.5mm~0.6mm），总的单边加工余量为1.7mm~2.1mm。精化齿坯是在齿坯精密锻造的基础上，进一步减少单边机械加工余量和提高锻件公差等级，达到齿坯无需经过粗车，而是直接精车成形。精化齿坯相对于精密热模锻件齿坯的加工余量，规定为多少程度方能达到最经济状态。齿坯直接精车过程，第一道工序的定位面为下模成形的底端面和外径，夹持的端面留固定的余量，加工端面和内孔，之后以内孔和端面定位，将剩余的尺寸加工完成。由于第一道工序的夹持面在下模，外径和下端的圆角最难填充，故该圆角大小决定加工余量，在设计时，对于锻件外径在覬150mm以内的，圆角大小不得小于2mm（倒角尺寸以C0.5mm计算），折算出单边余量不得小于0.8mm。另锻造后锻件需等温正火，氧化皮的厚度约为0.1mm，在精车过程中，考虑锻件的表面缺陷、填充性、锻件的端面平行度和机床装夹的跳动等因素，至少需要留有0.7mm的单边余量。精车时加工处无毛坯面，故外圆和端面最经济的精车余量为单边0.8mm。上模成形的余量由于要考虑错移和冲孔偏心等因素，经济的单边余量为1.2mm~1.5mm。 精化齿坯可定义为在精密锻造基础上，提高锻造精度等级以达到减少单边加工余量和提升锻件公差等级，使精化齿坯可精车成形的目的。齿坯单边经济加工余量为0.8mm~1.2mm，上模成形的经济加工余量为1.2mm~1.5mm，齿坯的材料利用率相对于精密锻造的要提高6%~10.5%。图1和图2分别为RT50变速箱二轴一档齿轮的精密锻造和精化齿坯锻件图，从图中可知，精化毛坯的尺寸公差较精密锻造的要严格，单边加工余量要大为减少，冲孔精度要高。  图1 精密锻造锻件图  图2 精化齿坯锻件图 2 精化齿坯锻造工艺设计设计锻件时[10-11]，仅需按精车的尺寸上单边留0.8mm~1.2mm加工余量、错移在0.3mm以内和拔模斜度为1°即可，在保证加工余量的前提下，将锻件各边缘的圆角设计得尽可能的大些，这样可以降低设备的打击力和提高模具的寿命。为了减少大的纵向飞边产生的概率和提高模具寿命，必须设计预锻，故工艺流程为：精密剪床下料-中频感应炉加热-制坯（镦粗）-预锻-终锻-冲孔。 根据锻件的各尺寸计算出下料重，后选择棒料的直径及剪切的长度，长径比控制在1.3~1.8，同时要尽可能使棒料在镦粗时高度压缩1/2以上，这样可使坯料上因感应加热而产生的氧化皮基本去除，从而使氧化皮不会积攒在预锻型腔中以致拉伤模具。镦粗坯和预锻坯决定着精化齿坯锻造工艺的质量，镦粗时必须控制厚度尺寸，镦粗后的坯料能够均匀地放置在预锻型腔内，否则易产生较大的纵向飞边。 在预锻时，上模芯先与坯料接触，实际过程中，镦粗坯与预锻上模芯垂直的概率很低，若倾斜角度大于8°，锻件终锻时一端则会产生较大的纵向飞边，另外一端则会充不满。因此，预锻时需要有很好的导向行程，在镦粗坯与预锻上模芯接触之前，导向行程起作用。在设计时，要求预锻坯在终锻成形时，以镦粗为主，故预锻件的最大直径要比最终成形模型腔的尺寸小0.5mm~1.5mm。锻件完成终锻成形后，需要冲孔，锻件至冲孔时的温度会降低，故在设计冲孔冲子尺寸时，所放的热缩率要比设计热锻件时的热缩率略小一些。若所生产的锻件内孔小于覬17mm，则可不考虑进行冲孔。 3 实现精化齿坯锻造工艺的设备为实现精化齿坯的热锻成形工艺，压型设备必须具有以下3个特点：①设备具有顶出机构，齿坯为圆形，结构简单、对称，通常采用闭式模锻，以使材料利用率最大化，顶出机构可使外径和内孔的拔模角度从5°~7°减少至1°~2°；②设备必须控制锻件的厚度尺寸，否则锻件加工完后上模成形的油槽（若有）和轮辐的尺寸无法保证，因此设备的打击行程必须能够控制；③设备具有一定的抗偏载能力，可以满足多工位锻造工艺。 锻造齿坯的设备通常使用螺旋压力机或机械压力机。螺旋压力机在工作过程中带有一定的冲击作用，滑块行程不固定，但它又是通过螺旋副传递能量的，当坯料发生塑性变形时，滑块和工作台之间所受的力，由压力机封闭框架所承受，并形成一个封闭式的力系，另设备的导向性较好，可实施多工位锻造。因其滑块行程不固定，无法有效控制锻件的厚度尺寸，故也不选择使用螺旋压力机。 机械压力机是通过曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转换为滑块的直线往复运动，对坯料进行成形加工的锻压机械，适用于自动化高效率生产。其具有的载荷为静压力，变形力由机架本身承受，滑块行程固定，导向良好，承受偏置的能力强，并且有上、下顶出装置。在机械压力机上可实现精化齿坯热锻工艺，若齿坯外径（≤覬100mm）较小，可使用较为经济的闭式单点压力机或锻造压力机。 4 模座结构方式由于精化齿坯的锻件精度要高于精密锻造，锻件质量的状况由设备、模具和模座决定。设计一种多工位模座，如图3所示。要考虑制坯和预锻合理成形的同时，也要考虑预锻和终锻模具翻新。  图3 精化齿坯锻造工艺所用的模座图 4.1 模座结构形式 多工位模座有制坯、预锻、终锻和冲孔4个工位。因制坯（镦粗）的质量影响后续工位的成形，设计可调的结构，针对不同产品的制坯高度，将镦粗后的坯料厚度控制在要求范围内，放入预锻模具中，不产生偏斜，进而减少纵向飞边产生的风险。上平台与模座连接方式为螺纹方式，调整好上平台的位置，需要固定，若不固定，则会造成制坯过程中，制坯出现较大厚度偏差。预锻时坯料如何在预锻型腔内均匀定位是关键，需在预锻模套设计导向结构。冲孔工位需要考虑的是冲子能顺利将连皮冲掉，并且冲子不粘锻件，需要较好的卸料装置。 预锻和终锻模具使用分体式结构，可以提高模具寿命，模芯等易损件更换方便，上下模的垫板配置不等厚度，模具下落翻新后装配时需匹配对应的垫板。 4.2 导向装置 多工位模具会造成偏载，需要较好的导向装置来控制错移[13-15]。压型设备具有X型导轨，具有较好的定位导向。在模座上设计导柱、导套装置，间隙为0.15mm~0.2mm，进一步防止错移。预锻时，镦粗坯料放置于预锻下模中，上模芯先于上模接触坯料，若倾斜较大，上模芯则易偏斜。预锻上模套和预锻下模套设计导向装置，在坯料与上模芯接触之前，上模套与下模套处于导向作用，可以较好地防止预锻坯产生偏心。 4.3 主要零件的材料和热处理硬度 上下模座、下模垫板、预锻和终锻的上下模套的材料为 5CrNiMo，上下模座的硬度要求为HRC36-40，下模锻垫板和模套的硬度要求为HRC40-44。上模垫板的材料为45钢，硬度要求为HRC40-44。导柱的材料为30CrMnTi，渗碳淬火的硬度要求为HRC52-56，导套材料为40Cr，硬度要求为HRC38-42。 5 结论精化齿坯是在精密锻造基础上进行优化的，提高锻造精度等级以达到减少单边加工余量和提升锻件公差等级，使精化齿坯可精车成形。制坯和预锻的质量决定着该工艺，在工艺设计时需尤其关注。固定的镦粗高度能够较好地控制坯料的直径，预锻模座结构设计的导向装置能够较好地防止预锻坯偏心。设备选择能够控制高度和抗偏载的机械压力机。冲孔时，需防止锻件粘冲子，应对冲孔的模具设计卸料装置。 参考文献： [1]中国锻压协会，编著.汽车典型锻件生产[M].北京：国防工业出版社，2009. 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Analysis of hot forging process for precise gear blank JIANG Shutong Abstract：The hot forging process of precise gear blank has been defined in the text,and the scope of single side machining allowance has been cleared.As theprocess quality has been decided by upsetting and preforming blank,the technological process and key point have been analyzed.Meanwhile,the machine and die holder which can satisfy the process have been discussed. Keywords：Precision grade;Precise gear blank;Hot forging process;Machining allowance 中图分类号：TG312 文献标识码：B DOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.022 文章编号：1672-0121（2017）02-0074-04 收稿日期：2016-12-09； 修订日期：2017-01-27 作者简介：江叔通（1978-），男，工程师，从事锻造工艺、机械加工及模具制造等研究。 E-mail：85696344@qq.com |
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mm。随着汽车市场竞争的激烈程度日益加剧，很多变速箱总成厂家会在齿坯精密锻造基础上进行齿坯精化工作，即进一步减少单边加工余量和压缩锻件公差尺寸，以提高材料利用率和省去粗车工序。
mm），但加工余量未做论述。文献[1]中介绍使用高速热镦锻机锻造齿坯，直径在覬165mm以内的加工余量为外径单边余量为0.6mm~1mm，厚度单边余量为1mm，公差为±0.5mm，此加工余量相对于文献[2]的减少约1.1~1.2mm。
