机车用大型传动齿轮毂锻造工艺研究

文/罗天园·中国中车资阳机车有限公司

机车用大型传动齿轮毂锻造工艺研究

文/罗天园·中国中车资阳机车有限公司

罗天园，主要从事高温合金叶片、船用连杆、高压阀体及机车用等多种类型锻件锻造工艺研究，获得三项国家实用新型专利，及四川机械行业协会优秀论文奖。

本文主要论述了机车传动齿轮毂的锻造方法，从锻件外形设计、工装设计、工艺参数制定、过程控制等方面，讨论如何生产出质量稳定、成本可控的优质锻件。该锻件投影面积大、齿轮盘薄且为深孔，在设计时要很好的考虑设备选型、分型面的选定、坯料参数的选择等。

工艺分析

锻件结构特点

该锻件为某出口机车传动部件，材质为42CrMo4，外形设计对材质的内在质量要求较高。锻件最大尺寸为730mm、锻件高度为210mm，三维建模锻件重280kg，锻件外形如图1所示。由图1可知锻件厚度落差较大、齿盘厚度薄，因此存在齿盘不能打靠及顶端难充满的特点。

图1 锻件外形图

锻件工艺分析

三维建模后锻件重量在280kg的基础上增加了15%以内的消耗材料，用于定额确定下料重，结合我公司10t电液模锻锤可以设计一套联合锻造工艺，因此拟定工艺流程为：下料→加热→镦粗→模锻→切边→正火→抛丸→探伤→打磨→检查。

工装模具设计

锻件分模设计

依据锻件最大投影面积及利于锻件出模的原则，分模线可选择在齿盘的中部或齿盘的一端。经过论证认为将分模线设置在齿盘的一端不利于锻件的切边，切边后会形成大量的毛刺或引起锻件翘曲变形，最终决定将分模线设计在齿盘中部。中间孔连皮则尽量设计在孔的中部，可保证孔两端具有良好的充填性。

锻模设计

镦粗过程在10t电液锤上实现，镦粗模采用现有平板模。模锻在16t电液锤上进行，为了节省模块成本及提高锻模的导向性能，进行了单型腔锻模及圆形锁扣设计，可在合理的范围内有效缩小模块尺寸，同时提高了锻模的导向精度。为了利于锻件充型良好，将锻件距离齿盘远的一端设计在上模，距齿盘近的一端设计在下模。将难充满部位利用反挤原理实现填充效果。为了锻件能够打靠，从而使多余的金属尽量流向仓部，进而加深了仓部深度，避免因飞边太多冷却过快影响锻模打靠，图2是设计的锻模图。

图2 锻模俯视图及局部剖面

切边模设计

锻件切边模采用切边冲孔复合模设计，锻件先切边后冲孔，结构如图3所示。首先将带飞边的锻件放置在切边下模上，启动压力机，滑块带动切边上模下行直至与锻件接触实现切边，滑块继续下行，切边上模推动锻件下行与冲头接触并实现冲孔，滑块及切边上模到达下死点后回程，滑块带动固定在其上的拉杆向上运动。拉杆带动托件盘及锻件从下模出来。从而实现切边冲孔两个过程，该过程操作方便、高效。

图3 切边冲孔复合模

生产试制

工艺参数确定

根据工艺分析之初设定的下料重为锻件重加15%材料消耗，拟定3种规格进行试制，下料重分别为310kg、315kg、320kg。由于坯料是在10t锤平板模上镦粗，镦粗势必要考虑坯料不得发生歪斜，因此选择坯料规格为φ330mm，镦粗后坯料直径在550mm左右，保证过多坯料不被打到仓部，同时保证金属不至于过小而回流。镦粗后高度保持在（180±10）mm，比较利于齿轮上下面的充型。

试生产

设备、工装、工具全部准备就位后进行试生产，加热炉设定温度为1150℃，坯料温度保透后进行锻造。坯料在10t电液锤上进行镦粗，先在坯料上下端撒湿锯末。当锻锤与坯料接触后燃烧的锯末在间隙内产生的高温气体将表面氧化皮去除，而坯料原表面的氧化皮则由自然变形去除。将镦粗高度为（180±10）mm的坯料（图4）用操作机夹持到16t锤上后进行锻造，轻击定位后重击锻造成形，直至锻件各部位完全充满型腔。锻造完成后的锻件用操作机平整摆放入切边冲孔复合模中，进行切边冲孔。最后检查锻件表面质量及充满情况，同时检查锻件错移及厚度尺寸，符合要求后便可批量生产。

图4 镦粗坯料尺寸

生产中发现的问题

经过试制验证三种下料规格的原材料，皆能实现齿轮毂的锻造成形。但310kg的坯料飞边偏小，一旦发生设备故障等意外因素有可能导致充型不满。320kg的材料虽然充型效果较好但不利于降本增效，为了保持工艺的稳定性及成本可控，因此摒弃了上述两种规格，而选取315kg的坯料。

试制中有一个问题较为突出，经划线检查锻件存在一定的错移，部分锻件错移较大。虽不至于难以加工见光，但存在这方面的风险，在后面的生产中需要重点关注。

检查锻件厚度尺寸，普遍存在超厚现象，这在设计之初是预料到的，而且会出现个别锻件厚度不均的现象。但考虑到是全加工件，超厚现象是可以接受的。若一味追求名义尺寸，在生产时再进行多锤次锻造也难以实现且对工装寿命有不利影响。

结论

通过该齿轮毂工艺分析、设计及生产全过程的监控，对于发生上述问题的主要原因如下：

⑴锻件错移是由于在打击过程中由于冲击，锤头有晃动导致错移。同时观察飞边发现与镦粗料未能摆到终锻模膛正中有一定关系，坯料不均造成锤头发生扭转，在击打过程中累积成错移。

⑵锻件厚度未能打靠，一是由于设备打击力略小，由于齿轮盘较薄在击打到后期时，齿轮盘冷却速度快，无论如何打击金属也难以流出，致使大量金属留在模膛，锻件难以打靠。二是要控制好生产节拍，生产过程中不要有附加的时间耽误，镦粗之后快速将坯料转移至终锻模膛，避免温度的流失。

⑶综上所述，通过对该类锻件的全过程分析及研究为该类锻件的生产积累了宝贵的经验，为今后类似产品的生产奠定了坚实的基础。