長(zhǎng)短齒零件冷鍛工藝研究

1、帶倒角面的長(zhǎng)短齒零件工藝研究一 . 背景和研究1.1 研究背景內(nèi)圈為某款電動(dòng)工具內(nèi)的動(dòng)力傳輸零件 （見(jiàn)圖 1.1），利用 2 組齒形相同但齒寬不一樣的 齒輪與離合器嚙合（見(jiàn)圖 1.2），工作中受到?jīng)_擊，齒形受力較為復(fù)雜，齒形強(qiáng)度要求較高。 零件結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜， 保證齒形強(qiáng)度下， 傳統(tǒng)的銑削加工和粉末冶金都不能加工， 齒形鍛造 成型最佳。內(nèi)圈成品 CG 圖圖 1.2 內(nèi)圈裝配圖1.2 現(xiàn)狀及加工現(xiàn)客戶使用材料 20CrMo ，使用方法為熱鍛成型毛坯，機(jī)加工鉆孔、車槽和端面。熱鍛 涉及到微觀金相組織的變化，強(qiáng)度受到一定影響， 而且熱鍛成本較高。 因某些原因，客戶要 求使用 GCr15 代替 20C

2、rMo ，并指定用冷鍛工藝成型鍛坯以降低生產(chǎn)成本。1.3 研究方向GCr15 為冷鍛極限， 毛坯材料對(duì)鍛造工藝影響很大。 GCr15 相對(duì)常用鍛造材料 20CrMo 、 SAE8620 來(lái)說(shuō)相對(duì)較硬， 780完全退火后硬度達(dá)到 130HB ，相對(duì)與 20CrMo 的退火硬度 100115HB 較硬，而且 GCr15 冷作效果更好， 38.4%小變形量擠壓后硬度與 20CrMo 相差不 大甚至小于后者， 前者硬度 162HB 后者硬度 168HB ，但是擠壓齒形時(shí)變形量為 12%，GCr15 會(huì)雙邊漲形約 0.1mm ，20CrMo 雙邊漲形約 0.02mm。研究方向暫定為： 1）如何成型 GC

3、r15 并保證模具壽命； 2）如何成型齒形。.內(nèi)圈概述2.1 內(nèi)圈結(jié)構(gòu)介紹圖 2.1 內(nèi)圈產(chǎn)品尺寸圖內(nèi)圈可分為兩部分： 1 ）齒形，齒形又細(xì)分為長(zhǎng)齒和短齒； 2）球部。鍛件主要技術(shù)要求：齒形大徑 16.5（ 0/-0.2） 齒形小徑 13（ 0/-0.2 ） 3配合銷跨棒距 19.335（ -0.26/-0.46 ） 球部直徑 S 22.5 0.2 外觀無(wú)傷、銹、毛刺、缺料等缺陷（見(jiàn)圖2.1）?？蛻粢螅?1）鍛件滿足圖紙要求，全尺寸合格； 2）齒形處不予許有明顯疊層、次生帶、凹陷等。2.2 內(nèi)圈制造工序暫定的內(nèi)圈制造工藝為：下料-退火-磷皂化 -鍛一-退火-磷皂化 -鍛二，鍛一主要鍛造齒形，

4、鍛二墩粗球部。2.3 工藝難點(diǎn)難點(diǎn)在于齒形成型無(wú)疊層。原工藝鍛一齒形等高，下端60 面一起成型（見(jiàn)圖 2.2），鍛二墩粗， 并將短齒部分反擠一部分。 實(shí)際效果是鍛一時(shí)小徑處不貼膜， 鍛二反擠短齒時(shí)小 徑受短齒處材料影響貼膜度更差 （見(jiàn)圖 2.3）。小徑處形成凹坑相差 0.2mm ，因鍛一和鍛二模具制造誤差存在，兩序模具銜接時(shí)小徑處存在間隙，凹陷被放大稍許。下端 60 面圖 2.3 鍛件實(shí)際效果圖圖 2.2 鍛一 CG 圖因客戶要求齒形不允許有疊層， 則齒形需要在一個(gè)工位內(nèi)一次成型并且無(wú)明顯疊層、陷等，否則后續(xù)工位便會(huì)形成次生帶。理想工藝應(yīng)為:齒形在墩粗球部前就已大致成型，除大徑的主要參數(shù)都已符

5、合客戶圖紙要求， 墩粗球部時(shí)只墩粗齒形大徑， 其余不參與成型， 齒 形型腔只起支撐作用。對(duì)理想工藝進(jìn)行 CAE 模擬，著重分析齒形部位成型。 長(zhǎng)短齒形隨 60倒角面（見(jiàn)圖 2.4） 一起成型分析 （見(jiàn)圖 2.5），圖 2.5 貼膜度顏色顯示中， 顏色從藍(lán)至紅表示不貼膜的嚴(yán)重程度， 藍(lán)色為完全貼膜， 紅色代表鍛件與模具間隙達(dá)到 0.123mm 。從圖中得知短齒成型后成型 60 倒角面時(shí)鍛件小徑與凹模小徑處存在單邊 0.02mm 間隙，但無(wú)明顯臺(tái)階和凹坑。圖 2.4 終鍛件 CG 圖圖 2.5 短齒成型貼膜度分析從圖 2.6 得知，短齒完全成型后， 材料在 60面處受墩后， 流動(dòng)方向由豎直向下運(yùn)動(dòng)

6、改 為順著 60面和齒面方向流動(dòng)， 小徑處材料如圖 2.6 所示變更為向芯部流動(dòng)， 此時(shí)小徑已呈 現(xiàn)出不貼膜趨勢(shì)。圖 2.6 短齒成型后材料流動(dòng)方向短齒成型后長(zhǎng)齒大徑處不貼膜，當(dāng)長(zhǎng)齒抵達(dá)60面時(shí)，長(zhǎng)齒受墩，大徑漸漸飽滿，同時(shí)小徑開(kāi)始塌陷形成凹坑。 凹坑隨材料向下運(yùn)動(dòng)逐漸加大至出現(xiàn)小徑上圓臺(tái)后， 凹坑最大到 達(dá)約單邊 0.1mm（圖 2.7）。此時(shí)小徑處材料流動(dòng)復(fù)雜，直接受兩處60面影響，小徑材料向芯部流動(dòng)，形成兩處凹坑。研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾巫屝劫N膜。圖 2.7 長(zhǎng)齒成型后小徑貼膜度與材料流動(dòng)三. 工藝實(shí)驗(yàn)3.1 工藝方案方案 1）：鍛一成型 8 個(gè)長(zhǎng)短齒（見(jiàn)圖 3.1）；鍛二成型球體部分（見(jiàn)圖

7、 3.2） 鍛一外徑為 16.3，鍛二外徑為 16.4。鍛一小徑 12.8，鍛二小徑 12.9。圖 3.1 鍛一 CG 圖圖 3.2 鍛二 CG 圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果：齒面貼膜，小徑仍有較大一塊區(qū)域不貼膜。小徑直徑為 16.72圖 3.3 不貼膜效果圖方案 2）：方案 1）改進(jìn)，鍛一仍成型 8 個(gè)長(zhǎng)短齒，齒根圓角加大至 R1（如 圖 3.3 ），其余部分不變；鍛二成型球體部分。圖 3.4 圓角增大 CG 圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果：結(jié)果與方案 1）相近，齒面貼膜，小徑仍有較大一塊區(qū)域不貼膜。 小徑由原來(lái) 16.72變?yōu)?16.68。方案 3）：方案 1）改進(jìn)，鍛一仍成型 8 個(gè)長(zhǎng)短齒，與方案 1）所不同的是齒 形部位上

8、部做避讓：?jiǎn)芜吺湛s 0.05mm（見(jiàn)圖 3.5）；鍛二仍成型球體部分。圖 3.5 0.05mm 避讓 CG 效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果：結(jié)果與方案 1）相近，齒面貼膜，小徑仍有較大一塊區(qū)域不貼膜。 與方案 1）不同的是貼膜處的小徑小 0.1mm，測(cè)量出的小徑落差在 0.05mm。方案 4）：方案 3）改進(jìn)，鍛一仍成型 8 個(gè)長(zhǎng)短齒，齒形部位上部做單邊收縮0.05mm 后小徑單邊放大 0.1mm，等效避讓 0.15mm（見(jiàn)圖 3.6）；鍛二成型球體 部分。圖 3.6 0.15mm 避讓 CG 效果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：小徑與短齒上端小徑處有少許接痕 （約 0.03mm），小徑根部不 貼膜有凹陷。外觀較差，疊層因模具銜接

9、產(chǎn)生，暫時(shí)無(wú)法消除（見(jiàn)圖3.7） 。圖 3.7 避讓 0.15mm 實(shí)際效果方案 5）：鍛一成型 4 個(gè)短齒；鍛二成型成型 8個(gè)長(zhǎng)短齒；鍛三成型球體部 分。圖 3.8 材料分配方案 CG 圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果：模具出錯(cuò)，二工位模具做短，三工位繼續(xù)成型齒形形成新生 帶。模具銜接時(shí)二三工位相差距離直接體現(xiàn)在鍛件上（見(jiàn)圖3.9）。而實(shí)際的小徑落差為雙邊 0.03mm，材料分配實(shí)為有效解決齒形小徑不貼膜的方式之一。圖 3.9 材料分配實(shí)際效果圖方案 6）：方案 4）改進(jìn)，鍛一成型 4 短齒；鍛二成型球體部分。省去中間成 型長(zhǎng)短齒工序（見(jiàn)圖 3.10），各工序模具尺寸調(diào)整為鍛一外徑為 16.3，鍛二外 徑為16.

10、4。鍛一小徑 12.8，鍛二小徑 12.9。圖 3.10 方案 6）CG 圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 處頂部與小徑產(chǎn)生接痕， 大徑尖端有塌陷外無(wú)其他明顯缺陷 （見(jiàn) 圖 3.11）。少許接痕，約 0.01mm長(zhǎng)齒大徑頂端有塌角， 單 邊 0.020.04mm圖 3.11 實(shí)際效果圖方案 7）：方案 6）改進(jìn)，鍛一預(yù)鐓；鍛二成型成型 4 短齒；鍛三成型球體部 分。與方案 6）相比增加預(yù)鐓工序。為防止出現(xiàn)較大塌角，各工序模具尺寸調(diào)整 為鍛一外徑為 16.3，鍛二外徑為 16.4，鍛三外徑為 16.4。鍛二小徑 12.88， 鍛三小徑 12.88，鍛三齒面相比鍛二齒面大 0.015mm。圖 3.12 方案 6）改進(jìn)

11、 CG 圖 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：外徑拉毛；齒形錯(cuò)位（見(jiàn)圖 3.13）。原因?yàn)椋翰牧嫌?，二工位?件漲形至大徑超過(guò)三工位凹模大徑，二工位鍛件無(wú)法放入三工位模具。圖 3.13 實(shí)際效果圖方案 8）：方案 7）改進(jìn)，鍛一預(yù)鐓；鍛二成型成型 4 短齒，大徑與方案 7） 相比單邊縮小 0.075mm；鍛三成型球體部分 （見(jiàn)圖 3.14）并將鍛三模具芯更換材 料為硬質(zhì)合金。鍛二與鍛三工序間一定要做完全退火工藝。圖 3.14 方案 8） CG 圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果：齒面處有少許刮料， 對(duì)尺寸無(wú)影響為鍛二模具和鍛三模具銜接不當(dāng)；長(zhǎng)齒尖部塌陷；大徑面無(wú)拉毛。無(wú)其余缺陷（見(jiàn)圖 3.15）。圖 3.15 方案 8）實(shí)際效果圖結(jié)論： 1

12、）圓角越小越易貼膜，材料貼膜程度與材料流速無(wú)關(guān)。2）不貼膜因素需要在齒形成型前完成成型，才不會(huì)影響后續(xù)主體部 分成型。3.2 附加問(wèn)題用 7）號(hào)方案鍛造時(shí)，鍛件表面有拉毛，齒面有壓痕。原因分析：防止齒表 面有較大接痕， 二工位模具與三工位模具大小徑尺寸相等， 齒面處三工位模具比 二工位模具單邊大 0.015mm。因所有模具芯子都為 SKH51 材料制作，材料相對(duì) 較硬，二工位鍛件成型后漲形單邊 0.07mm0.1mm，至二工位鍛件無(wú)法放入三工 位模具。鍛件對(duì)位不準(zhǔn)而且沒(méi)有定位， 二工位鍛件長(zhǎng)短齒與凹模長(zhǎng)短齒錯(cuò)位， 在 三工位鍛件齒面產(chǎn)生壓痕。解決方案：模具齒形變位系數(shù)不變，二工位模具大徑縮小至

13、 16.26，鍛件 大徑為 16.34左右，可輕松放入三工位凹模并靠長(zhǎng)短齒本身可靠定位。結(jié)論：每次模具銜接時(shí)單邊控制為 0.060.08mm，鍛件能有效定位并且表面 無(wú)鍛三墩粗后形成的次生帶。這些模具銜接的數(shù)據(jù)僅適用于模芯為SKH51 材料的模具并且鍛坯材料為 GCr15。3.3 數(shù)據(jù)總結(jié)一工位模具大一工位模具小徑模 具 變二工位模具大徑 /二工位模具小徑 /模具變位系數(shù) /三工位模具大徑 /三工位模具小徑模具變位系數(shù)/徑 / 鍛件大徑/ 鍛件小徑位系數(shù)鍛件大徑鍛件小徑鍛件公法線鍛件大徑/ 鍛件小徑鍛件公法線方案16.3 12.80.716.412.90.782/1) 16.34 12.71

14、3 跨 棒 距結(jié)果/ 16.44 16.4912.9 13.0216.3912.8119.031方案16.3 12.80.716.412.90.782/2) 16.34 12.68 結(jié)果/16.3912.80方案16.3 12.80.716.412.90.782/3) 16.34 12.71 3 跨 棒 距結(jié)果/ 16.44 16.4912.73 13.0216.3912.8019.031方案16.3 12.80.716.412.90.782/4) 16.32 12.78 結(jié)果/16.3812.81方案16.3 12.80.616.3812.80.6 16.4 12.880.75) 16.33

15、 12.84 、 跨兩齒距結(jié)果 12.83/ 16.34 16.4412.69 12.72/ 16.42 16.4716.3712.878.4158.43方案16.3 12.80.616.412.880.7/6) 16.33 跨兩齒距結(jié)果 12.83/ 16.43 16.4912.9116.378.4158.43方案16.3 12.86/16.412.880.6 16.4 12.880.627) 16.2 結(jié)果 12.86 16.48 16.5012.84 12.87/ 16.41 16.46 12.88跨兩齒距 8.3316.38方案 12.88 ( 合 金16.3 12.86/16.2512.880.6 16.4 (合金模)0.628)模)跨兩齒距 8.29 ，結(jié)果16.38 12.83 16.33 16.3412.88/ 16.40 16.44 12.8412.85 3 跨棒距 18.94