２０１０年第２期 綦齿传动 ・２７・ 带壳体从动锥齿轮锻件的工艺分析及探讨 贾振平 摘要：本文分析了带壳体从动锥齿轮锻件的锻造工艺，并通过对模锻工艺和辗扩工艺的对 比，论证了辗扩工艺的优越性，设计了相应的辗扩及制坯模，对类似零件的锻造工艺设计有较好 的指导和借鉴作用。 关键词：壳体辗扩辗扩比上翘扭曲平稳性 １ 引言 本文介绍的零件是一带壳体从动锥齿轮 Ｃ．因锻件外形和内孔较大，成形时要产生 较多的飞边和连皮，因此，材料利用率相对较 低。 （如图１），由产品图的形状可知，传统的锻 造工艺应该是开式模锻，但是，我公司现有设 备无法满足模锻的吨位需求，而且开式模锻工 艺需要的设备吨位大，生产效率低，生产成本 高，材料利用率低。为了解决以上问题，我们 需要找出一种合理的锻造工艺。 图２模锻锻件图 ２．１．２参数计算 由锻件图计算，锻件重量为６６ ｋｇ，下料 重量为７７ｋｇ。 图ｌ产品图 由公式Ｇ＝１ ００（１—０．００５Ｄ）（１．１＋２／ Ｄ）２（０．７８＋０．００１Ｄ２）ＤＳｂ 计算，设备吨位 ２・工艺方案的分析 ２．１ 模锻工艺分析 ２．１．１锻件图的设计 为８．７吨，因我公司现有设备最大吨位为５ｔ， 因此，无法采用模锻工艺。 ２．２ 辗扩工艺分析 根据产品（图１）设计出模锻工艺的锻件 图（如图２），由锻件图可知，该锻件图有以 下特点： ２．２．１辗扩工艺的原理及特点 辗扩又叫扩孔，是环形件特有的成形方法 之一，其原理，如图３所示，辗扩的实质是电 机带辗压轮旋转，辗压轮通过它与毛坯之间的 摩擦力曳入毛坯，并不断施压，环形毛坯与芯 轴的摩擦力带动芯轴旋转，同时，辗压轮与芯 轴之间距离不断缩小，直至变形结束，辗扩主 要是毛坯径向压缩切向延伸的锻造过程。 ａ．锻件外形较大，内孔尺寸大，成形困 难； ｂ．由于内孔大，且带有较大的盲孔，因 此，成形时，内孔有较大的金属排出，容易产 生夹灰； ・２８・ 綦齿传动 ２０１０年第２期 面，证明锻件截面形状复杂，辗扩时的受力情 况复杂，易造成锻件上翘或扭曲，使锻件尺寸 不合格或无法工作，特别影响锻件的高度。因 此，需要合理的工装和毛坯形状来保证辗扩的 平稳性，辗扩的平稳性是辗扩成功的关键。 ２．２．４确定辗扩比 辗扩比是保证辗出合格锻件的另一重要因 图３ 辗扩工艺的特点是需要的设备吨位小，能 解决我公司设备吨位不足的问题；材料利用率 高，提高了锻件的市场竞争力；辗扩无冲击， 劳动条件好。 由产品图可知，该产品属于截面较复杂的 环件，外圆为 ４２３ｍｍ，高为１０２ｍｍ，根 据辗扩原理及特点可知，该产品可采用辗扩工 艺锻造，而我公司的 ５００ｍｍ扩孔机就能生 产该锻件。 ＼ 图４辗扩锻件图 ２．２．２设计锻件图 由产品图设计出辗扩锻件图如图４，该锻 件主要有以下特点：一般的后桥从动锥齿轮底 面是平的，而这个锻件底面带有凸台，凸台与 外圆有较大的落差，且外圆有较大的斜面；锻 件总的高度较高。这些都为辗扩工艺带来一定 的困难。 ２．２．３辗扩工艺分析 由辗扩锻件图（图４）可知，外径与内孔 都有台阶，台阶落差大，且最小外圆有一斜 素，辗扩比确定的一般原则是： ａ．锻件形状越复杂，台阶越多，则需要 的辗扩比越大，从而满足毛坯变形的需要，辗 出合格的锻件； ｂ．毛坯精度越差，需要的辗扩比越大， 反之，需要的辗扩比越小。 因为我们采用的是开式胎模制坯，毛坯精 度差，且锻件形状复杂，故选较大的辗扩比， 取Ｋ＝１．７。因锻件内孔是阶梯孔，变形时，小 孔扩大速度小于大孔扩大速度，因此，大孔是 主动变形，因此，取大孔的辗扩比ＫＢ＝１．７， 则小孔的辗扩比ＫＳ＝ＫＢ—Ｑ（ＫＢ一１）≈１．５。 ２．２．５ 确定毛坯图 ， 图５毛坯图 ④链羲 韶喜芤 肆乳 酪攘麓墅 图６制坯工艺流程图 因为该锻件形状复杂，为了保证辗扩的稳 定性，毛坯形状要尽量与锻件形状相似：由此 得出毛坯图（图５）。ｄ１＝ｄ１锻／１．５≈１５０； ｄ２＝ｄ２锻／１．７＝１７５，再根据体积不变原理求出 外圆各尺寸，因锻件壁厚较大，辗扩力不易辗 透，毛坯的高度基本不变。为了确保锻件高度 尺寸，取毛坯高度等于锻件高度，再根据毛坯 ２０１Ｏ年第２期 綦齿传动 ・２９・ 图设计出制坯模，制坯的具体工艺流程见图６。 ２．２．６确定辗扩工艺 刚开始与毛坯接触的面主要有ａ、ｂ、Ｃ、ｄ四 个面，ｅ面在开始时未与毛坯接触，辗轮在ａ、 ｂ、Ｃ、ｄ四个面上的作用力分别为Ｐ２、Ｐ３、 Ｐ４、Ｐ５，Ｐ４对毛坯的作用力分解为水平分力 Ｐ４平和垂直分力Ｐ４垂，由图８可知，Ｐ５与Ｐ４ 根据辗扩锻件图，设计出芯辊及辗压轮， 工作示意图如图７，这样的结构好处是芯棒强 度好，操作方便，但辗扩的平稳性较差，在试 生产中，毛坯确实出现了上翘的现象，造成锻 件外圆及内孔有较大的锥度；且锻件高度不能 垂两力相抵消，Ｐ２与Ｐ１平的部分力相抵消， Ｐ１平的部分力与Ｐ４平对毛坯产生的力矩与Ｐ１ 保证，无法辗出合格的锻件，甚至无法工作。 主囊 图７工作示意图 ２．２．７辗扩中的受力分析 为了解决辗扩的平稳问题，我们对锻件进 行定性的受力分析，具体见图８。 图８受力分析图 在辗扩刚开始时，因小孔的辗扩比较小， 毛坯的小孔内壁未与芯棒接触，小孑Ｌ内壁不受 力，芯棒作用于毛坯的力主要在内孔的圆角及 斜面上。因此，它对毛坯有一个斜向上的力 Ｐ１，且芯棒带有一个６。的斜面，把Ｐ１分解为 水平分力Ｐ１平和垂直分力Ｐ１垂。同时，辗轮 垂与、Ｐ３对毛坯产生了力矩，使毛坯在辗扩时 发生上翘。因毛坯与辗轮接触的面大多是斜 面，平面较少，当毛坯产生上翘后，很容易滑 出型槽，使毛坯上翘更严重，进而使辗扩无法 完成。 经过以上分析可知，该锻件毛坯在辗扩过 程中必将上翘，使辗扩不平稳。 ２．２．８工艺改进 经过对辗扩过程的受力分析，我们找到了 辗扩时毛坯翘曲的原因，决定把孔小的一面靠 托料板方向布置，辗扩时毛坯将向下翘曲，而 下面有托料板托着毛坯，从而阻止毛坯翘曲， 使辗扩过程平稳。 经过上述分析后，我们对芯棒和辗压轮 进行了改进。为了便于操作，我们对毛坯和制 坯模也进行了一些改进。经工艺试制，批量生 产，辗扩过程平稳，与前面分析相一致。但在 批量生产时，锻件小台阶外圆未辗满，有较大 的塌角，如辗扩锻件图（图４）Ｐ处。虽然经过 补焊未造成损失，但此工艺仍需完善。 ２．２．９二次改进 经过对锻件塌角的分析，认为产生塌角 的主要原因是：制坯时，毛坯此处塌角太大 （如图６的ａ处），造成辗扩时不能辗满型槽，因 此，需要对制坯工艺进行改进。 锻件塌角的原因找到后，我们对原制坯 工艺进行分析，由制坯工艺流程图可知，此塌 角在胎模制坯时产生。胎模制坯时，因中心孔 未受，成型时，根据金属流动最小阻力原 理，金属先向内孔流动，而毛坯的Ｐ处因阻力较 大，不易充满，因此，毛坯在此处塌角较大。 ・３０・ 綦齿传动 ２０１０年第２期 为了解决毛坯塌角，我们对制坯工艺进行 了改进，具体工艺如图９，通过镦粗成形和制 盲孔两道工序使Ｐ处充满期，从而保证在辗扩过 程中不产生塌角，也就解决了锻件塌角问题。 田镦粳畿影 ３ 雷制盲毳 图９改进后的制坯工艺流程图 锻造工艺 辗扩 锻件重量 ６８ｋｇ 下料重量 ７５．３ ｋｇ 火次 一次 消耗模具材料 约１．５ｔ 设备 ５００扩孔机 模锻 ６６ｋｇ ７８．５ｋｇ 二火 约４ｔ １Ｏｔ 经过以上分析可知，辗扩工艺与模锻工 艺相比，既节约了模具材料，又节约了原材料 好先锻出凸台后，再冲孔，这样才能保证锻出 合格的锻件。本文通过对带壳体从动锥齿轮锻 件的锻造工艺的分析，结合本公司的实际情 况——模锻设备不足，辗扩工艺是解决这个问 题最好的方法之一，它将对类似零件的锻造工 和能源，大大的降低了制造成本，针对这个产 品，辗扩工艺的优越性显而易见。 ４结束语 辗扩工艺在应用过程中，还应注意以下几 艺设计有较好的指导和借鉴作用。 方面：①辗扩过程的平稳性是辗扩成功的必要 条件，如果在辗扩时，毛坯产生上翘或扭曲， 必将辗不出合格的锻件；②如果锻件的内孔带 参考文献： １．锻模设计手册编写组．锻模设计手册．机 有台阶和锥度时，并在辗过程中发生上翘和扭 曲时，可采用小孔靠近托料板的布置来解决此 问题；③采用小孔靠近托料板的布置时，芯棒 的强度较弱，因此，首先要解决好这个问题； ④带凸台的毛坯在制坯时，如果凸台较高，最 械工业出版社．１９９１年 ２．机械工业出版社中国机械工程学会锻压 学会．锻压手册．１９９１．６ ３．吕炎．锻造工艺学．北京机械工业出版祖 １９８Ｒ
