锻件冲连皮残留料环原因分析及改进

文/高原，周昌锋，梁磊·陕西法士特齿轮有限责任公司

由于国内重卡市场销量连续多年破百万辆，重卡用重型变速器也得到了快速发展。我公司作为产销世界第一的重型变速器生产企业，同时也是国内主要的重型变速器供应商。齿轮作为变速器的主要组成部分，充分保证齿轮生产中各个环节的高效率是保证大批量变速箱按期交付的前提。

在变速器齿轮的锻造过程中，冲连皮一般是闭式模锻的最后一道工序，锻件上的孔需要冲连皮加工出，减少了后续粗加工中的钻孔工序。当锻件在多工位锻压机自动生产线上生产时，冲连皮在锻压机上完成；在模锻锤或螺旋压力机上生产时，需要在一台小吨位的压力机上冲连皮。我公司某变速器双联齿轮零件（以下简称“双联齿轮”）简图如图1 所示，双联齿轮锻造齿坯在2t 程控锤上完成锻造成形后，在250t闭式单点压力机上进行冲连皮工序。图2 是双联齿轮的冷锻件图，其中φ34.5mm 的孔就是在压力机上冲连皮工序加工而成。

在首轮生产时发现，完成冲连皮后冲头上行，会附带冲出一个比凹模刃口稍大且形状较规则的料环，同时也拉出较大毛刺。图3 中左下角为冲掉的连皮，中间为冲连皮完成后的锻件，右上角为残留料环。残留料环或粘牢在凹模刃口处，或粘附在锻件下内孔φ43.5mm 处，或掉落在凹模刃口附近。料环粘在锻件或者凹模上时，需要操作工用钳子用力翘起，增加了劳动强度；即使料环掉落在凹模中时，也需要手动用钳子夹出，严重降低了生产效率。高温的残留料环粘附在凹模刃口上长时间与凹模刃口接触，也会加快刃口的磨损，降低模具寿命。这个残留料环已经严重影响了双联齿轮的正常生产，亟待解决。

问题分析

双联齿轮冲连皮模具结构如图4 所示，冲头、上模板拉紧在燕尾上并固定在250t 闭式单点压力机上模体上，凹模安装在下模座上，下模座通过压板结构固定在250t 闭式单点压力机下模体上。压力机滑块下行时带动冲头下行，冲头接触连皮继续下行切断连皮，直至冲头刃口进入凹模刃口将连皮从凹模下方推出落下，下到压力机下死点后，压力机上行回到上死点，完成一次冲连皮。分析此凹模结构可以发现，由于冷锻件中φ43.5mm 尺寸与冲连皮尺寸φ34.5mm有一定距离，单边达4.5mm，在完成冲头刃口下行并进入凹模时，冲头、凹模、锻件之间会形成一个空腔。在冲连皮过程中，冲连皮处的金属在冲头的推动下向下流动，同时，部分金属也会充填空腔，当此部分金属与凹模刃口接触时，有可能会被凹模刃口切断，从而形成残留料环。利用Deform 对冲连皮过程进行有限元模拟，如图5 所示，也出现了冲头把连皮处金属推进空腔后将会被刃口切断成料环的结果，更直观地显示了在冲连皮过程中残留料环的形成。

改善措施并验证

分析可知，冲连皮过程中，冲头、凹模、锻件之间形成的空腔是造成冲连皮后残留料环的根本原因，因此需要更改锻件结构或模具结构，从而填补空腔避免冲出残留料环。现从改进锻件结构或模具结构两个方面分析改善：

一是改进锻件结构。分析可知，锻件毛坯图中的φ43.5mm 尺寸与冲连皮尺寸φ34.5mm 有一定距离，单边达4.5mm，在此处形成空腔，这是最终形成残留料环的原因。因此，可以考虑在锻件尺寸上填补空腔，将φ43.5mm 尺寸缩小至φ36.5mm，如图6 所示，这样就可使空腔大大减小，从而避免冲连皮时冲出残留料环。但这种改动，会让此处的加工余量由改进之前的单边1.75mm 增加至单边5.25mm，直接加大了此处的机加工余量，车削时需要多次走刀，不利于机加工。此外，还会增加32g 材料耗费。显然，这种改善方式不是最理想的。

二是改进模具结构。根据现有锻件结构，更改凹模结构，在凹模刃口处增加环形凸台，如图7 所示，环形凸台的作用是在冲连皮过程中预先填充锻件对应空腔，从而能够有效避免冲连皮时冲出残留料环，这是有效的解决方案。

按照这个更改模具结构的方案，重新投制了凹模（图8），并现场生产再次试制冲连皮，发现增加环形凸台后，残留料环消失。同时明显改善了冲连皮质量，未见冲连皮拉出毛刺情况（图9）。

结论

本文通过分析某双联齿轮冲连皮时冲出残留料环的原因，针对产生原因提出了相应的改进措施。具体结论如下：

⑴冲连皮时，冲头、锻件、凹模之间形成的空腔是导致产生残留料环的根本原因。

⑵改进锻件结构可有效避免形成空腔，但会增加机加工余量，并增加32g 材料，故此方法不是最理想的。

⑶改进凹模结构，在凹模刃口处增加环形凸台，能有效避免冲连皮带残留料环，并明显改善冲连皮质量。