深小孔齿坯热冲孔研究和经济性分析

江叔通，贾宏伟，黄辉龙

（南昌齿轮锻造厂，江西 南昌 330044）

通过锻造成形的齿坯，若齿坯的孔径不大于25mm，且厚度t/孔径d≥1.2，被认定为深小孔齿坯，汽车变速箱的高速档和倒档齿坯属于此种类型。随着汽车轻量化推进步伐的加快，以及材料性能的不断提高，在输出同等扭矩的情况下，变速箱齿轮正朝着小形化、轻量化方向快速发展，深小孔齿坯的市场需求会逐步增多。

齿坯一般采用闭式模锻工艺[1]生产，其优点是无横向飞边，同时减少了加工余量和拔模角，提高了材料利用率。但此工艺会增加锻造难度，模具结构也较为复杂。从锻造工艺角度[2]分析，若内孔直径d≤25mm，只能设计成盲孔，孔内余块通过钻削去除。若在锻件终锻成形后，将孔内余块采用热冲孔方式去除，加工时间则可大大缩短。国内的相关文献[3-5]论述可以将普通齿坯的孔热冲到15mm，对深小孔齿坯热冲孔没有报道。以下对深小孔齿坯热冲工艺进行研究，并对此工艺的经济性进行分析。

1 深小孔齿坯粗车对内孔尺寸的要求

齿坯需经过粗精车后用以齿形加工。孔的加工较为不易，留有的加工余量越少，对孔的加工越为有利，粗车时采用的镗孔刀具为内孔车刀。

随着数控车床的普及，匹配数控车床是实心液压卡盘，内孔车刀需具有断屑功能。镗孔时，刀架朝主轴方向做直线进给，产生的铁屑通过内孔另一侧排出（卡盘端）。铁屑受进给力的作用往卡盘端运动，同时也受到离心力的作用往外径方向运动，实际加工时，当内孔直径d≤18.5mm时，铁屑会堵在孔内而无法排出，则会造成孔无法加工。另因热冲孔时会存在错移，故冲孔尺寸需大于19.5mm。若冲孔尺寸较小，则需要扩孔至19.5mm以上。

2 深小孔齿坯热冲孔工艺

因粗车对孔径有要求，热冲的孔径越大，锻件变形也会越大，故需对终锻和冲孔进行综合设计。对深小孔齿坯而言，若孔内的余块厚度过大，则会造成锻件热冲孔变形过大而报废。因齿坯外形尺寸较小，闭式模锻工艺设计时，只需设计制坯和终锻工步即可。终锻上模凸台的高度[6]决定余块的厚度，若h/d＜0.5，模具具有足够的使用寿命；若h/d＞1，模具很容易失效。为保证模具寿命，设计的凸台取值为h=（0.5-0.8）d。若齿坯按精化状态设计[7]，则需增加预锻，虽增加工步，但可以减少孔内的余块厚度，终锻上模凸台的高度可以设计为h=1.25d。

图1 锻件图

以RangerMT82变速箱的倒档惰轮为例，分析整个冲孔的变形过程。图1为锻件图，d=ø24mm，凸台高度h=19.2mm，终锻件放置在凹模上，最下端面被约束，外径未被约束。为减少孔的余量，采用ø22.4mm冲子，热冲孔行程为35.1mm，使用Deform-3D软件模拟整个热冲孔过程，如图3所示。从模拟过程可以知道，上端孔口处有轻微拉塌现象，冲子往下运动过程中，极少部分的料被挤向侧面，大部分料沿着凹模口被挤出，剪切时下端拉出翻边，受剪切应力和温度内应力影响，下端孔口变形较大。模拟结果与实际生产结果（图2的锻件流线）相一致，热冲孔为先侧面无约束的复合挤压，后剪切过程。

图2 锻件流线图

图3 深小孔齿坯热冲孔模拟过程图

为实现深小孔齿坯热冲工艺，压形设备必须具有以下两个特点：①设备具有较好的导向性和抗偏载能力，可以满足多工位锻造；②设备能控制锻件的厚度尺寸，否则锻件的上模成形的油槽（若有）和轮辐的深度尺寸无法保证。

终锻上模尽量采用分体式结构[8]，可提高锻件填充性和上模寿命。冲子在挤压过程受热时间长，刃口容易失效[9]，材料建议选择3Cr2W8V，采用水冷方式，方可保证冲子的寿命。冲子与锻件分离，需采用刚性较好的卸料装置，使得冲子便于脱离锻件。若为深小孔齿坯具有双面油槽[10]，冲孔时也需对锻件上端约束，同时下端孔口设计反变形，以防止下端油槽变形。

3 热冲孔和钻孔的经济性分析

去除孔内余块的方式不同，所需的成本也不同。一种工艺的推广使用，经济性为主要的驱动力，热冲孔工艺能否取代钻孔，以下从孔的余量和工艺流程进行分析。

3.1 孔的余量分析

齿坯锻造时上模不用顶出机构，故上模芯都会设计R5以上的圆角，拔模斜度≥5°。因锻件存在错移[11]，为保证钻孔不偏斜或崩刃，钻的孔径需比热冲的小1mm～6mm，如图4所示，热冲的孔径为ø21mm，最大可达ø23mm，而钻孔最大孔径为ø20mm。若要钻到ø23mm，易造成孔偏或崩刃，经济性和效率上不可取。故热冲孔成形的孔的余量少，可减少刀具成本和加工时间。

3.2 工艺流程分析

两种方式与孔相关的工艺流程如下：

热冲孔——终锻→热冲孔→等温正火→抛丸→粗车一端→粗车另一端；

钻孔——终锻→等温正火→抛丸→钻孔→粗车一端→粗车另一端。

图4 热冲孔和钻孔分析示意图

热冲孔在多工位锻造设备上冲孔，若不采用此类设备，则需增加1台冲孔设备，但两者冲孔节拍一致，与压形节拍相同，约为9s/件。钻孔节拍约为38s/件，1人可以操作2台钻床。热冲孔的人工费只有钻孔的42%（考虑工资附加等）；热冲孔损耗冲子，钻孔损耗钻头，单件消耗基本一致；冲孔产生的余料为连皮，其售价高于铁屑。

钻孔方式的锻件重量更重，热处理和抛丸工序会增加能耗和物流周转费，另外钻孔工序会增加在制品，从而增加资金占用。

热冲孔方式孔的加工余量少，从而减少刀具成本和缩短生产节拍；从工艺流程上看热冲孔会减少人工成本、能耗、物流周转费和资金占用等。经过核算，热冲孔方式所需要的相关费用只有钻孔的52%左右。

4 结论

变速箱的发展趋势是小形化和轻量化，深小孔齿坯市场需求量逐步增大，热冲孔方式可缩短去除孔内余块的加工节拍。本文对该种类型齿坯粗车进行分析，要保证粗车时能够镗孔，锻件的成形孔径需在ø19.5mm以上。根据孔径的要求，最大限度减少孔的余量，以倒档惰轮齿坯为例，对其热冲孔过程进行数值模拟，模拟结果与实际生产结果相一致，热冲孔为先侧面无约束的复合挤压，后剪切过程，对保证此工艺的实施在设备和模具进行了阐述。通过孔的余量和工艺流程分析得出，热冲孔方式去除孔内余块，不但可以缩短生产节拍，还可以大幅度降低与孔相关的费用。

[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.

[2]姚泽坤.锻造工艺学与模具设计[M].西安：西北工业大学出版社，2007.

[3]蒋 鹏.汽车用齿坯的精密锻造技术 [J].金属加工（热加工），2009，（17）：16-18.

[4]余汪洋.齿坯闭式模锻的模具设计 [J].机械工艺师，1994，（4）：12-14.

[5]刘 洁，王德俊，杨晓红.转向螺杆的挤压成形工艺研究[J].锻压技术，2007，32（5）：66-68.

[6]闫 洪.锻造工艺与模具设计[M].北京：机械工业出版社，2012.

[7]江叔通.精化齿坯热锻工艺浅析 [J].锻压装备与制造技术，2017，52（2）：74-77.

[8]许发樾.实用模具设计与制造手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

[9]赵 震，陈 军，吴公明.冷温热挤压技术[M].北京：电子工业出版社，2008.

[10]谭明皓，贾宏伟，江叔通.汽车变速箱齿轮油槽的结构及成形分析[J].锻压装备与制造技术，2016，51（6）：57-59.

[11]吕 炎.锻造缺陷分析与对策[M].北京：机械工业出版社，1999.