CN105689615B - 叠合式套锻方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种叠合式套锻方法，其特征在于：将两个或两个以上零件叠合起来，组合成一个连体零件，再在其外表面增加切削余量，成为组合模锻件，组合后从投影面积上看，大锻件包容小锻件，但不增大锻件投影面积，经过下料、加热、模锻，再切削加工，将组合模锻件或连体零件分离。本发明通过合理组合及选择合适的分离方法，使传统方法认为不能进行套锻的锻件可采用套锻方法锻造，拓宽了套锻应用范围。本发明组成叠合式套锻件后，两个或两个以上锻件共同消耗一个连皮，故降低了材料消耗。本发明切削分离面可直接做精加工定位基准，可达到节省材料、降低变形力、提高生产效率。

Description

叠合式套锻方法

技术领域

本发明属于金属机械零件制造领域，涉及机械零件形成前期之金属模锻工艺方法，具体涉及叠合式套锻工艺。

技术背景

在一定工艺条件下，利用大锻件冲孔连皮的位置和材料进行（开式或闭式）模锻，获得两种或两种以上不同形状和尺寸模锻件的锻造加工方法称为套锻。通常用于回转体锻件，如齿圈、环及类似形状锻件的制造。

现有文献介绍的套锻工艺主要有两类，即分步套锻和同时套锻。

所谓分步套锻，就是先进行大锻件模锻，之后利用从大锻件上分离的连皮（视情况，连皮体积可能较非套锻方法有所增大）锻成小锻件。如《锻压技术》2007年第4期139-140页，题为《在摩擦压力机上套锻工艺的研究》的论文介绍了利用“前挡圈”锻件的冲孔料锻造成“后盖”锻件；《新技术新工艺》2010年第4期85-86页，题为《崔杰套锻法在生产中的应用》的论文介绍了利用“圆环”锻件的冲孔料锻造成“法兰盘”锻件；发明专利申请《圆锥滚子轴承套圈双扩套锻工艺》（公开号CN101417379A，公开日期2009年4月29日），以及发明专利申请《一种中小型英制圆锥轴承套塔复合锻造内外同套工艺》（公开号CN101758368A，公开日期2010年6月30日），还有实用新型专利《一种轴承套圈毛坯三联套件锻造成型生产线》（授权公告号CN201997666U，公告日为2011年10月5日）都是用大轴承套圈的冲孔连皮再锻造成多个小轴承套圈锻件。

分步套锻的主要优点是将原先只能废弃的连皮部分材料加以利用，提高了材料利用率。但是小锻件锻造时，仍需投入设备、模具以及操作人员等。当然，分步套锻不要求小锻件数量与大锻件相等。

本发明不属于分步套锻，以下不作论述。

所谓同时套锻（以下简称套锻，以一大、一小两种锻件组合为例，同种材料，同一批量），就是在锻件图设计和热锻件图设计阶段，将小锻件放置在大锻件的连皮位置，构成一个组合模锻件，在下料、加热、模锻环节，同步进行生产。模锻成形之后，通过一定方式（现有方法中主要是热态剪切）将组合在一起的锻件分离。这种套锻在提高材料利用率的同时，提高了设备、模具以及人员的利用率，提高了生产效率。同时，由于连皮位置放置了厚度较连皮大的锻件，因而其变形刚性区应力球张量稍小，且降温速度稍慢，故有降低变形力的作用，可望提高模具寿命。可见，应用套锻技术，可以获得积极的甚至是较好的技术经济效果。

从便于热态剪切分离考虑，现有套锻锻件的组合要求大锻件内径大于小锻件外径与两个飞边桥部宽度尺寸之和。从平面投影看，大、小锻件（外、内锻件）之间为宽间隙包容状态。从模膛构造看，组合套锻锻件的各锻件之模膛是被飞边桥部隔离的，是相互独立的。

如《锻压机械》2001年第4期24-25页，题为《齿轮坯套锻新工艺》的论文介绍的方案为大小齿坯套锻设计的设计要点，阐述大小锻件连接处如何布置，阐述制作锥台面或凸球面的镦粗台，以便改善锻件的填充性；《机械工人》2003年第5期86页，题为《复合模锻工艺的应用》的论文介绍的方案是在“手把体”锻件中套锻“球形支座”锻件，但要求小锻件的外径与大锻件的内径单边差别应大于飞边桥部的宽度（锻件间的连皮宽度为12.5mm）；《热加工工艺》2010年第9期99-101页，题为《套锻闭式锻造工艺分析及后续分离工序的数值模拟》的论文介绍的方案为将大小锻件按套锻工艺进行设计，利用软件模拟得出复合切边冲孔模能很好地减少切边变形，但要求大锻件的内径较小锻件的外径大30mm以上；实用新型专利《齿轮套锻坯双工位切边冲孔组合模具》（授权公告号CN202224522U，公告日为2012年5月23日）所述组成套锻件的小锻件外径与大锻件内径尺寸差距较宽。

现有组合模锻件的后续分离方法一般采用热态剪切。由于大、小锻件之间存在飞边桥部，通常情况下，一次只能完成飞边桥部一端的剪切，得到带小飞边的小锻件。然后，通过二次切边，再去除小锻件上的小飞边。这就需要增加切边设备、模具和操作人员等。同时，热态剪切过程中，容易造成锻件出现较大变形，一般需在后续步骤中增加校正工序，含需增加校正设备、模具和操作人员等。

如前文引述过的《热加工工艺》2010年第9期99-101页，题为《套锻闭式锻造工艺分析及后续分离工序的数值模拟》的论文介绍的大小锻件的厚度相差不大，切边冲孔后，小锻件需增加校正工序；如前文引述过的实用新型专利《齿轮套锻坯双工位切边冲孔组合模具》（授权公告号CN202224522U，公告日为2012年5月23日）设计了一种套锻件分离和小锻件冲孔的切边冲孔复合模座，但所述大锻件较薄，分离之后大锻件需要增加校正工序，同时需要二次切边。

此外，将两种或两种以上的锻件组合成一个锻件同步锻造的方法已有一些应用，如内燃机连杆与连杆盖组合成“连杆-连杆盖”整体锻件、两个轴承盖（半环状）组合成环状锻件等。从投影面积上看，这些组合锻件相互之间不存在重叠，组合后锻件的投影面积是各锻件投影面积之和。这种组合不属于套锻。

现有包容式套锻工艺方式，一般要求大锻件内径大于小锻件外径与两个飞边桥部宽度尺寸之和，限制了套锻工艺的应用。现有套锻得到的组合模锻件一般采用热态剪切分离，需要二次切边，容易造成锻件出现较大变形，需增加二次切边及校正工序，即需增加相应的设备、模具和操作人员。

现有套锻工艺流程为：下料—加热—制坯—预锻—终锻（套锻件）—切边冲孔（分离大小锻件）—二次切边—校正—热处理（大小锻件分开热处理）—抛丸（大小锻件分开抛丸）—粗加工（大小锻件分开加工）。

综上所述，现有套锻工艺方式为包容式套锻，只应用于大锻件的内径明显大于小锻件的外径的情况，若小锻件的外径大于大锻件的内径，则无法应用套锻工艺。同时，现有组合套锻锻件采用热剪切方法分离，容易产生变形，需要二次切边，需要增加校正工序及二次切边工序，即需要增加相应的设备、模具和操作人员。

发明内容

本发明目的是突破大锻件内孔直径须大于小锻件外圆直径的局限，提出叠合式套锻，拓宽套锻工艺的应用范围；还为这种叠合式套锻件（粗加工后一般称为零件或工序件）分离选用相应的方法，实现大、小锻件（零件）分离时无变形；省去锻件生产的二次切边及校正工序，也就省去相应的设备、模具和操作人员。

本发明的技术方案为：在锻件图设计阶段，将原无法使用包容式套锻而需要分别锻造的两个或两个以上零件（显然是同一种材料）叠合起来，组合成一个连体零件，再在其外表面增加必要的切削余量，成为组合模锻件，组合后从投影面积上看，大锻件包容小锻件，但不增大锻件投影面积，在下料、加热、模锻环节，按现有锻件生产工艺流程进行，待锻件流转到切削加工环节，采用除热剪切以外的合适方式将组合模锻件或连体零件分离。叠合式套锻工艺流程为：下料—加热—制坯—预锻—终锻（套锻件）—切边冲孔—热处理—抛丸—粗加工（大小锻件分离）。

以下介绍本发明的几种具体实施方式。

根据零件结构方式，使用不同的套锻锻件叠合方式，设计成套锻件，为提高材料利用率，套锻可采用闭式锻造。

本发明的技术特征之一是叠合，即从投影面积上看，组合模锻件的各零件的投影有重叠，包括部分重叠和完全重叠。从便于分离的角度考虑，上、下零件叠合面积愈小愈好。叠合面积过大，不仅分离困难，经济性会降低，还会使得零件性能难于保证。

根据叠合前各零件的形体结构特征，连体零件的叠合方式有以下三种。

1）平面叠合，各零件叠合面为平面，构造简单的情况下采用。

2）锥面叠合，上方零件的下面与下方零件的上面存在相同或相近的互补性锥角的情况下采用。

3）台阶叠合，大零件的内孔只能包容小零件凸台而不能包容小零件的大外径，或者是大零件的止口可以包容小零件的大外径而内孔不能包容，这两种情况下采用。

需要说明的是，组合而成的整体锻件，就是一个锻件，亦应遵循锻件设计准则中的各项规定。

本发明的技术特征之二套锻件只有一处连皮，如前文所述的同步套锻，属于包容式套锻范畴，即大锻件连皮中设计出小锻件，小锻件内有连皮，同时大小锻件之间的仍存在不小于飞边桥部的连皮，而本发明的设计为整体锻件，故套锻件只有一处连皮。

本发明的技术特征之三是套锻件不是采用热剪切方法分离，而是在后续切削加工过程中采用去除部分体积的方法分离。

分离套锻件存在多种方法，这些方法的共同特点是均需去除一定量的零件体积，或存在一定量的割缝损耗。

1）铣削。采用立（指形）铣刀或薄片盘形铣刀在铣床上进行加工，分离面可为较复杂形状曲面，但割缝较宽。

2）车削。在车床上进行加工，车刀可在轴向和径向进给，完成零件分离，径向切断可使用切槽刀或切断刀，轴向切断可使用轮辐车刀或管状特种刀具。分离面为环状平面、锥面、柱面或它们的某种组合。一般用于回转体零件。

3）锯切。用锯条或薄片盘形锯片在锯床（弓锯、带锯、圆盘锯）上加工，分离面为平面，锯切加工方法中带锯割缝较小，圆盘锯割缝较宽。

4）电火花线切割。分离面可为较复杂形状曲面，割缝窄，但切割效率不高。

5）激光切割。分离面可为较复杂形状曲面，切割厚度较薄。

6）气割。对于大型零件，也可用气割。该方法切口质量较差，效率也不高。

此外，连杆-连杆盖组合锻件也可采用裂解方法分离（胀断连杆），这种方法几乎无割缝损失，但断面质量差，暂未在其它零件制造中应用。

由两种或两种以上锻件组合构成的组合锻件在后续加工中，通常应能用较简便方法分离。推荐的各种叠合式套锻件的分离方法见表1。

表1

序号	组合方式	推荐分离方法
			1	平面叠合	车削，铣削，锯切，电火花线切割或激光切割
2	锥面叠合	车削，铣削
			3	台阶叠合	车削，车削+铣削

因要考虑分离装置的刚性和加工极限，故为便于零件（或锻件）进行分离，须对各种叠合式套锻件的相关位置做要求，见表2。

表2

序号	组合方式	径向要求条件	轴向要求条件
				1	平面叠合	D2＞D1	L1≥3mm，L2≥3mm
2	锥面叠合	D3＞D4	L3≥3mm
				3	台阶叠合	D7＞D5，D5-D6＞4mm	0mm＜L4＜16mm，L5≥4mm

本发明除继承了套锻方法所具备的节省材料、降低变形力、提高生产效率，节省设备、模具、操作人员等优越性之外，本发明的有益效果为：

1）通过合理组合及选择合适的分离方法，使传统方法认为不能进行套锻的锻件可采用套锻方法锻造，拓宽了套锻应用范围。

2）就叠合式套锻而言，若分开成为单个锻件锻造，每个锻件需要消耗一个连皮。组成叠合式套锻件后，两个或两个以上锻件共同消耗一个连皮，故降低了材料消耗。

3）热态剪切分离的锻件表面粗糙，且每个待加工的表面须保留一定加工余量，采取连体零件虽会增加分离工序或工步，但非热剪切方式分离面光洁，可不留或少留加工余量，切削分离面可直接做精加工定位基准。

附图说明

图1为一种平面叠合式（闭式模锻）套锻件图，需用环状平面分离。

图2为一种锥面叠合式（开式模锻）套锻件图，需用锥面分离。

图3为一种台阶叠合式（闭式模锻）套锻件图，需用环状平面-小柱面组合分离。

图4至图7为利用车削加工方式对锥面叠合式和台阶叠合式套锻件分离状态进行说明。

图4为一种锥面叠合式零件分离前的示意图。其中，8为卡爪，9为套锻零件，大零件4与小零件5组合的连体零件，10为切刀。

图5为一种锥面叠合式零件分离后的示意图。其中，4为大零件丙，5为小零件丙。

图6为一种台阶叠合式零件分离前的示意图。其中，11为小零件接收杆，12为套锻零件，大零件6和小零件7组合的连体零件，13为卡爪，14为端面切槽刀。

图7为一种台阶叠合式零件分离后的示意图。其中，6为大零件丁，7为小零件丁。

具体实施方式

以下介绍本发明的几种具体实施方式。

根据零件结构方式，使用不同的套锻锻件叠合方式，设计成套锻件，为提高材料利用率，套锻可采用闭式锻造。

1）平面叠合式套锻实施例

图1中大零件甲1、乙2为某变速器二档、三档结合齿圈，小零件甲3为一档齿轮结合齿圈，其中，1为大零件甲，2为大零件乙，3为小零件甲；D₁为大零件甲、乙的内径，D₂为小零件甲的凸台外径，L₁为大零件甲、乙之间的轴向距离，L₂为大零件乙与小零件甲之间的轴向距离。

三者材料为20CrMoH，热处理硬度要求为150-190HB，D₁为Ф65.8mm，D₂为Ф73.2mm，原工艺方案为因小零件甲3的外径尺寸大于大零件甲1、乙2的内径尺寸，无法使用包容式套锻工艺，而3个零件单独设计锻件，分别锻造，现可使用平面叠合式套锻进行套锻设计，组成一个套锻件，一次完成锻造。套锻件在16MN热模锻压力机上生产，下料件加热，在压力机上镦粗、预锻、终锻，冲孔，完成压型工序。套锻件经过热处理和抛丸工序，成为可进行切削加工的毛坯。利用锯床或车床对套锻毛坯直接分离，分离之后，3个毛坯分别加工至尺寸。

2）锥面叠合式套锻实施例

图2中大零件丙4为某减速齿轮，小零件丙5为后桥被动齿轮，两者材料为SAE8620H（S），热处理硬度要求为160-190HB，D₃为Ф210.2mm，D₄为Ф202.5mm，具有锥面，角度互补。其中，4为大零件丙，5为小零件丙；D₃为大零件丙的外径，D₄为小零件丙的外径，L₃为大零件丙4与小零件丙5的锥面相互距离。

原工艺方案为大小零件单独设计锻件，分别锻造，现可使用锥面叠合式套锻进行套锻件设计，一次完成锻造。套锻件在摩擦压力机上生产，下料件加热，在250T冲床上镦粗，之后在16MN摩擦压力机上终锻，使用3.15MN机械压力机冲孔，套锻件经过热处理和抛丸工序，成为可进行切削加工的毛坯。使用2台CK630数控车对毛坯进行加工至要求，利用普通车床对套锻零件进行分离，将刀架转动相应角度，使用切断刀将分离处的余量加工完，即可分离成大小零件（参见图4、5）。

3）台阶叠合式套锻实施例

图3中大零件丁6为某变速器的主减从动齿轮，小零件丁7为二轴一档齿轮， D₅为大零件丁的内径，D₆为小零件丁的凸台外径，D₇为小零件丁的外径，L₄为大零件丁底端与小零件丁凸台的距离，L₅为大零件丁底端与小零件丁上端的距离。

两者材料均为16MnCrS5，热处理硬度要求为150-187HB，D₅为Ф95.3mm，D₆为Ф86.2mm，D₇为Ф123.2mm，D₅-D₆等于9.1mm，可使用台阶叠合式套锻设计成一个套锻件取代原大小零件单独设计的两个大小锻件。套锻件在摩擦压力机上生产，下料件加热，在250T冲床上镦粗，之后在16MN摩擦压力机上终锻，使用3.15MN机械压力机冲孔，套锻件经过热处理和抛丸工序，成为可进行切削加工的毛坯。使用2台CK630数控车对毛坯进行加工，在第1台数控车上使用外圆切槽刀将套锻件轴向连接处余量切除（参见图6），再在第2台数控车上使用端面切槽刀对径向连接处的余量加工完切除（参见图7），实现零件分离，分离之际零件被套接收杆上，小零件由于受切削力的作用往主轴端靠近，分离之后，小零件进行局部尺寸加工，套锻件的切削加工完成，可转入下道工序继续加工。

Claims (1)

1.一种叠合式套锻方法，其特征在于：将两个或两个以上零件叠合起来，组合成一个连体零件，再在其外表面增加切削余量，成为组合模锻件，组合后从投影面积上看，大锻件包容小锻件，但不增大锻件投影面积，经过下料、加热、模锻，再切削加工，将组合模锻件或连体零件分离；

上述叠合，从投影面积上看，组合模锻件的各零件的投影有重叠，包括部分重叠和完全重叠，根据叠合前各零件的形体结构特征，连体零件的叠合方式有以下两种；

1）锥面叠合，上方零件的下面与下方零件的上面存在相同或相近的互补性锥角的情况下采用；

2）台阶叠合，大零件的内孔只能包容小零件凸台而不能包容小零件的大外径，或者是大零件的止口可以包容小零件的大外径而内孔不能包容，这两种情况下采用。