双联滑动齿轮锻造工艺及模具的改进

文／陈欲飞・江苏清拖农业装备有限公司锻造厂

双联滑动齿轮锻造工艺及模具的改进

文／陈欲飞・江苏清拖农业装备有限公司锻造厂

双联滑动齿轮毛坯在锻造过程中，整体式模具使用寿命短，生产效率低，在改进了锻造工艺及模具结构并进行了多次试验后，成功解决了上述问题。

拖拉机传动系中的齿轮件很多，加工技术难度大，加工过程中影响因素多，供货时间及质量都对生产有较大影响，因此本公司决定试制生产结构较复杂的双联滑动齿轮的锻件，以总结出成熟的锻造工艺，为将来所有齿轮锻件的生产做好技术准备工作，达到降本增效的目的。

双联滑动齿轮的零件图如图1所示，根据零件图设计的锻件图如图2所示，由图2可知，这是一个具有3个台阶面、上端面带轮辐、下端面有拨叉槽的回转体结构锻件。该锻件的工艺特点是要求锻件尺寸精度高，材料利用率高，模具结构合理，操作方便。

图1 零件图

锻造工艺的分析

根据锻件图计算毛坯重量，锻制锻件所需的毛坯重量为锻件重量与锻造时金属损耗的重量之和，计算重量的公式如下：

加热方法为煤气发生炉加热，烧损率取2.5%，经计算得知该锻件下料重量为5.9kg。根据锻件的形状，采用镦粗法锻制锻件，对于圆钢坯，为避免镦粗时产生弯曲，应使毛坯高度不超过其直径D的2.5倍，但为了在截料时便于操作，毛坯高度不应小于1.25D，综合考虑，最终选择直径为φ80mm的圆钢毛坯，下料长度为149.5mm。

图2 锻件图

为使金属在型腔中完全充满并确保锻件合格，必须满足以下两点：

⑴成形工艺经济合理。

⑵锻造模具合理可靠。

制定一套经济合理的锻造工艺，必须首先确定制坯方法及坯料尺寸，由上述分析考虑，采用直径为φ80mm、下料长度为149.5mm的圆钢毛坯，镦粗至高度H＝44.2mm、D＝140mm、D分＝80mm，再模锻即可成形，如图3所示。

图3 工艺流程图

由于坯料在镦粗时外形为鼓形，其上、下面端直径在125mm左右，故而在130.5mm的台阶型腔中能够定位。事实上，放在型腔中定位比较准确，可人工随时调整以保证其不偏心，省略了一道预锻工序，降低了成本，提高了效率。

工艺路线的确定

根据工艺分析，确定工艺路线如下：下料→加热→镦粗→成形。

⑴下料。采用带锯床下料，切口损耗少，切口端面平直、质量好，可防止镦粗时弯曲。

⑵加热。锻件材料为20CrMnTi，始锻温度为1200℃、终锻温度为800℃，加热温度应均匀，采用煤气发生炉加热。煤气发生炉的原理是将块煤置于煤气发生炉中，将底层煤引燃后，在上面覆盖一定厚度的煤层，沿料层高度方向向上形成5层，自下而上为：灰渣层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层，再鼓入空气和水蒸气与煤产生一系列氧化还原反应后在出口处得到含有CO、H2等可燃成分的半水煤气。煤进行气化以后，在加热室中主要以煤气的形式进行燃烧和加热，其特点是燃烧方式发生了根本的变化，由直接燃煤转化为烧煤气，加热均匀，透热性好，由于工件在还原性气体中，故氧化不严重，因此也减少了材料消耗。

⑶镦粗。采取空气锤平砧间直接镦粗的方式，使毛坯高度减小、横断面积增大，使原材料转变为终锻成形所需的尺寸和形状。锻锤吨位参照镦粗毛坯和锻锤规格的关系图(图4)并结合本公司现有锻造设备选取，最终选择镦粗设备为750kg空气锤。

⑷成形。确定成形设备吨位时应考虑下列几个方面的要求：能提供足够的可获得合格锻件的打击能量，有足够的容纳锻模的装模空间，能保证正常的生产效率，可使锻模有正常的使用寿命，设备可保持正常的工作状态，吨位不宜过大，操作要方便，节省动能。由于影响锻件成形能量的因素很多，所以只能计算出设备大致的吨位，在实际生产中应视具体情况作相应修正，经验公式为G＝4F，其中G为设备吨位(kg)，F为锻件水平投影面积(mm2)。经计算并结合厂内设备情况考虑，最终选用1000t双盘摩擦压力机为成形设备。

图4 镦粗毛坯和锻锤规格的关系图

设备的选用

⑴下料：G4032A带锯床。

⑵加热：煤气发生炉。

⑶镦粗：750kg空气锤。

⑷成形：1000t双盘摩擦压力机。

模具的设计

由于该锻件具有3个台阶面和比较深的轮辐，在下端面上还带有拨叉槽，因此保证锻件3个台阶面相互位置尺寸的稳定性及模具寿命的稳定性就显得尤为重要，这也是模具设计成功与否的关键所在。

在试制阶段，我们采用如图5所示的整体式模具，在小批量生产时效果较好，但在进入批量较大的生产阶段时暴露出了以下几个缺点：

⑴在模具型腔下端的拨叉槽处易产生塌陷和龟裂，严重影响了锻件质量和成品率。其原因是热量集中，不易散发，和脱模剂接触，急速冷却，产生龟裂，锻件脱模困难。

图5 整体模结构图1—锻坯 2—上模 3—整体模 4—顶块

⑵模具寿命短。正常情况下，其原因是热量集中，不易散发，造成模膛内冷热变化快，局部易产生塌陷和龟裂，需要频繁修理模具，一副模具只能生产400件锻件左右。而且整体式模具重量大，重装、拆修模都很不方便，修模时拨叉槽也无法修整。

⑶工效很低，班产量在600件左右，加上修模频繁，所以生产效率低，这也使得生产成本和模具成本较高。

为了改善模具寿命短和生产效率低等问题，我们把锻件的模具结构改为分体式结构，如图6所示，将下模的材料由原来的5CrMnMo改为H13热作模具钢。在进行生产比较后发现，分体式模具在生产1000件左右的锻件后才须修理，且模具的装拆与整体式模具相比也更为方便，锻件形体的充满程度也更好，班产量在1200件左右，生产效率及锻件质量均得到了提高，生产成本大幅度降低。

存在的问题及改进

在大批量生产过程中，有时操作工和模具修理工为片面追求锻件产量会人为降低模具维修质量，这就会导致模具修理后存在下模高度不一或下模高度与套模高度不一致的情况，从而导致φ130.5mm的中间台阶高度不稳定，使后道机加工工序失去基准，产生废品。

对于双联滑动齿轮锻件来说，采用图5所示的整体式模具结构易使型腔拨叉槽处塌陷，模具寿命低，工效低，成本高，锻件质量也差，而采用图6所示的分体式结构，中间台阶尺寸变化大，同时拨叉槽处塌陷的锻造缺陷比例较大。

图6 分体模结构图1—锻坯 2—上模 3—套模 4—下模

为从根本上解决中间台阶尺寸不稳定和拨叉槽处塌陷的锻造缺陷比例较大等问题，我们总结了前两种结构的模具在生产过程中技术质量的得失，设计了一套组合式模具，如图7所示。它将原来的整体式模具改为3个部分镶嵌而成，套模采用45钢，镶套采用5CrMnMo模具钢，下模采用H13热作模具钢。该组合式模具既保持了整体式模具所生产锻件的尺寸的稳定性，又避免了在型腔下端拨叉槽处易产生塌陷和龟裂等缺陷，模具寿命大大提高，生产过程中维修也方便，每副模具使用寿命达3500件左右，锻件质量稳定，工效大幅提高，班产量达1500件，生产成本及模具成本大幅降低。

图7 组合模结构图1—锻坯 2—上模 3—套模 4—镶套 5—下模 6—顶块

结束语

组合式模具在使用上有出料与拆解维修方便、使用寿命长等优点，但也存在制造难度大等不足之处，不过综合考虑来说，改进后的锻造工艺及组合式模具仍具有工效高、生产成本低、锻件质量好、操作方便、易于加工等优点，是锻造回转体类锻件切实可行的工艺方案。一年多的生产实践证明，组合式模具解决了整体式和分体式模具存在的问题，为后期生产其他结构的齿轮锻件提供了技术支持。