CN116809831A - 一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺 - Google Patents
一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其包括以下步骤：（1）下料：选择适合高径比的圆钢棒料，高径比范围在1.5～3.0之间，接着用圆盘锯锯成所需长度得到加工棒料；（2）加热：将加工棒料加热至1150℃～1250℃；（3）镦粗：将加热好的加工棒料镦成厚度高于成品厚度的5～10mm的镦粗饼料；（4）预锻：用预锻模将镦粗饼料锻打成含中心薄层的造型得到预锻料；所述预锻模的模具的型腔体积与坯料体积的比为（1.02～1.03）:1；（5）冲孔：对预锻料冲掉中心连皮得到冲孔坯料；（6）辗环成形：将冲孔坯料放入辗环模中，用辗环机扩辗得到齿轮锻件。本发明不但可以降低锻打过程所需锻压力，让锻压设备拥有更大的适用范围。
Description
技术领域
本发明属于齿轮锻造技术领域，具体涉及一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺。
背景技术
齿轮是现代机械传动中的重要部件，主要应用于汽车行业中。目前传统的从动锥齿轮锻造工艺包括下料、加热、镦粗、预锻、冲孔、扩辗、终锻、切边等步骤，整个工艺过程较为复杂，工序多，生产效率低，对设备吨位要求高，产线投入大，适用范围小。而主机厂客户订购的从动锥齿轮种类多、批量小、产品尺寸差异大（φ100mm～φ500mm），这让许多齿轮生产厂家陷入了原有设备吨位不足无法生产、投入大量资金购买更大吨位的设备又面临市场需求不确定的风险两难困境，因此齿轮生产厂家希望找到一种能降低设备需求、拥有更宽广的适用范围的齿轮锻造工艺。
目前也有少数厂家尝试使用辗环成形工艺来降低锻压设备吨位，但结果不太理想。主要原因是在预锻的辗环成形过程中坯料的流动难以把握，极易造成局部位置缺料，形成凹陷、未充满，而其它位置又多料，形成较大的毛刺、飞边等瑕疵。因而预锻坯的设计，就成了重点也是难点，现在的辗环技术领域并没有明确的指导方案，只能是依靠经验进行设计，在产品上线后根据辗环结果再调整预锻坯的设计，往往需多次修改，费时费力。所以很少有厂家使用这种工艺作为最终成形工艺，只做为其中一个扩辗环节，最后还是在锻压机上最终成形。
发明内容
针对上述不足，本发明公开了一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，不但可以降低锻打过程所需锻压力，让锻压设备拥有更大的适用范围，而且解决了辗环成形过程中坯料的流动难以把握的问题。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其包括以下步骤：
（1）下料：根据产品工艺尺寸和实际齿轮毛坯重量，选择适合高径比的圆钢棒料，高径比范围在1.5～3.0之间，接着用圆盘锯锯成所需长度得到加工棒料；
（2）加热：将步骤（1）中得到的加工棒料加热至锻打温度，所述的锻打温度为1150℃～1250℃；
（3）镦粗：将步骤（2）中加热好的加工棒料镦成一个圆饼得到镦粗饼料，所述镦粗饼料的厚度高于成品厚度的5～10mm；
（4）预锻：用预锻模将步骤（3）中得到的镦粗饼料锻打成含中心薄层的造型得到预锻料；所述预锻模的模具的型腔体积与坯料体积的比为（1.02～1.03）:1，使得预锻坯可以允许一定的充不满，这样的设计可以降低所需的锻打力，提高模具寿命；
（5）冲孔：对步骤（4）中得到的预锻料冲掉中心连皮得到冲孔坯料；
（6）辗环成形：将步骤（5）中得到的冲孔坯料放入辗环模中，用辗环机将冲孔坯料扩辗至产品工艺尺寸即可得到从动锥齿轮锻件。
进一步的，步骤（4）中，在预锻前用forge锻造模拟软件在辗环模上进行扩辗模拟。这样可以确保扩辗后的锻件形状、尺寸符合工艺要求，避免上线后再根据辗环结果反复修改模具。
进一步的，所述齿轮锻件在竖直方向无需设计出模角度，而在齿轮锻件底部内孔台阶增加出模角度为2.0°～5.0°，在齿轮锻件底面增加出模角度为2.0°～3.0°，与传统锻造不同，这样可以防止齿轮底面及内孔台阶在辗环过程中出现凹陷。
进一步的，步骤（6）中所述的辗环机包括芯轴和主辊，芯轴的形状根据齿轮毛坯内孔形状设计，主辊形状根据齿轮毛坯外圆形状设计；扩辗时，主辊以自身中心轴做主动匀速转动，芯轴带动冲孔坯料向主辊方向挤压，冲孔坯料在扩辗过程中直径变大，壁厚变小，直接得到根据芯轴和主辊截面形状成型的从动锥齿轮锻件。同时由于扩辗过程是开式锻造，所需的压力比模锻成形小很多。
进一步的，所述主辊的转速为40rpm。
本技术方案与现有技术相比较具有以下有益效果：
1、本发明大大降低锻造过程所需的锻压力，由于预锻允许充不满，终锻辗环又是开式锻造，对锻压设备的吨位要求大大降低。在预锻坯的设计上，采用了Forge模拟软件进行辅助设计，解决了解决了辗环成形工艺预锻坯设计的难题，避免上线后再根据辗环结果反复修改模具。
2、本发明拥有工艺简单、操作方便、模具寿命高、产品合格率高的优点。因锻造过程压力低，对模具损伤小，所以模具寿命较高。使用普通的5CrNiMo模具钢制作的模具，预锻模、辗环模寿命均可达5000件；现齿轮生产常使用的圆钢棒料为低碳钢，其适合的锻打温度在1150℃～1250℃之间。
3、本发明生产的成品齿轮锻件精度高，余量小，使用精密辗环设备余量可低至2.0mm。同时生产过程只有冲孔连皮损失（约1kg左右），没有飞边，工艺简单，材料利用率一般在95%以上，部分重量大的齿轮可高达98%。
附图说明
图1是试验例1中所得到的镦粗饼料的结构示意图。
图2是试验例1中所得到的预锻料的结构示意图。
图3是试验例1中所得到的冲孔坯料的结构示意图。
图4是试验例1中所述的芯轴和主辊的示意图。
图5是试验例1中所述辗环成形步骤的示意图。
图6是试验例1中所得到的未脱模的从动锥齿轮锻件，其中在齿轮锻件底部内孔台阶增加出模角度为5.0°，在齿轮锻件底面增加出模角度为2.0°。
图7是试验例2中所得到的未脱模的从动锥齿轮锻件，其中在齿轮锻件底部内孔台阶增加出模角度为4.0°，在齿轮锻件底面增加出模角度为3.0°。
附图标记：1-芯轴，2-主辊，3-冲孔坯料。
实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明，但不作为对本发明的限制。下列实施例中未注明的具体实验条件和方法，所采用的技术手段通常为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1：一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其包括以下步骤：
（1）下料：根据产品工艺尺寸和实际齿轮毛坯重量，选择适合高径比的圆钢棒料，高径比范围在1.5～3.0之间，接着用圆盘锯锯成所需长度得到加工棒料；
（2）加热：将步骤（1）中得到的加工棒料加热至锻打温度，所述的锻打温度为1200℃；
（3）镦粗：将步骤（2）中加热好的加工棒料镦成一个圆饼得到镦粗饼料，所述镦粗饼料的厚度高于成品厚度的6mm；
（4）预锻：用预锻模将步骤（3）中得到的镦粗饼料锻打成含中心薄层的造型得到预锻料；所述预锻模的模具的型腔体积与坯料体积的比为1.023:1；在预锻前用forge锻造模拟软件在辗环模上进行扩辗模拟；
（5）冲孔：对步骤（4）中得到的预锻料冲掉中心连皮得到冲孔坯料；
（6）辗环成形：将步骤（5）中得到的冲孔坯料放入辗环模中，用辗环机将冲孔坯料扩辗至产品工艺尺寸即可得到齿轮锻件；所述齿轮锻件在竖直方向无需设计出模角度，而在齿轮锻件底部内孔台阶增加出模角度为5.0°，在齿轮锻件底面增加出模角度为2.0°；所述的辗环机包括芯轴和主辊，芯轴的形状根据齿轮毛坯内孔形状设计，主辊形状根据齿轮毛坯外圆形状设计；扩辗时，主辊以自身中心轴做主动匀速转动，转速为40rpm，芯轴带动冲孔坯料向主辊方向挤压，坯料在扩辗过程中直径变大，壁厚变小，直接得到根据芯轴和主辊截面形状成型的从动锥齿轮锻件。
实施例2：一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其包括以下步骤：
（1）下料：根据产品工艺尺寸和实际齿轮毛坯重量，选择适合高径比的圆钢棒料，高径比范围在1.5～3.0之间，接着用圆盘锯锯成所需长度得到加工棒料；
（2）加热：将步骤（1）中得到的加工棒料加热至锻打温度，所述的锻打温度为1150℃；
（3）镦粗：将步骤（2）中加热好的加工棒料镦成一个圆饼得到镦粗饼料，所述镦粗饼料的厚度高于成品厚度的5mm；
（4）预锻：用预锻模将步骤（3）中得到的镦粗饼料锻打成含中心薄层的造型得到预锻料；所述预锻模的模具的型腔体积与坯料体积的比为1.02:1；在预锻前用forge锻造模拟软件在辗环模上进行扩辗模拟；
（5）冲孔：对步骤（4）中得到的预锻料冲掉中心连皮得到冲孔坯料；
（6）辗环成形：将步骤（5）中得到的冲孔坯料放入辗环模中，用辗环机将冲孔坯料扩辗至产品工艺尺寸即可得到齿轮锻件；所述齿轮锻件在竖直方向无需设计出模角度，而在齿轮锻件底部内孔台阶增加出模角度为3.0°，在齿轮锻件底面增加出模角度为2.5°；所述的辗环机包括芯轴和主辊，芯轴的形状根据齿轮毛坯内孔形状设计，主辊形状根据齿轮毛坯外圆形状设计；扩辗时，主辊以自身中心轴做主动匀速转动，转速为40rpm，芯轴带动冲孔坯料向主辊方向挤压，坯料在扩辗过程中直径变大，壁厚变小，直接得到根据芯轴和主辊截面形状成型的从动锥齿轮锻件。
实施例3：一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其包括以下步骤：
（1）下料：根据产品工艺尺寸和实际齿轮毛坯重量，选择适合高径比的圆钢棒料，高径比范围在1.5～3.0之间，接着用圆盘锯锯成所需长度得到加工棒料；
（2）加热：将步骤（1）中得到的加工棒料加热至锻打温度，所述的锻打温度为1180℃；
（3）镦粗：将步骤（2）中加热好的加工棒料镦成一个圆饼得到镦粗饼料，所述镦粗饼料的厚度高于成品厚度的8mm；
（4）预锻：用预锻模将步骤（3）中得到的镦粗饼料锻打成含中心薄层的造型得到预锻料；所述预锻模的模具的型腔体积与坯料体积的比为1.028:1；在预锻前用forge锻造模拟软件在辗环模上进行扩辗模拟；
（5）冲孔：对步骤（4）中得到的预锻料冲掉中心连皮得到冲孔坯料；
（6）辗环成形：将步骤（5）中得到的冲孔坯料放入辗环模中，用辗环机将冲孔坯料扩辗至产品工艺尺寸即可得到齿轮锻件；所述齿轮锻件在竖直方向无需设计出模角度，而而在齿轮锻件底部内孔台阶增加出模角度为4.0°，在齿轮锻件底面增加出模角度为3.0°；所述的辗环机包括芯轴和主辊，芯轴的形状根据齿轮毛坯内孔形状设计，主辊形状根据齿轮毛坯外圆形状设计；扩辗时，主辊以自身中心轴做主动匀速转动，转速为40rpm，芯轴带动冲孔坯料向主辊方向挤压，坯料在扩辗过程中直径变大，壁厚变小，直接得到根据芯轴和主辊截面形状成型的从动锥齿轮锻件。
实施例4：一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其包括以下步骤：
（1）下料：根据产品工艺尺寸和实际齿轮毛坯重量，选择适合高径比的圆钢棒料，高径比范围在1.5～3.0之间，接着用圆盘锯锯成所需长度得到加工棒料；
（2）加热：将步骤（1）中得到的加工棒料加热至锻打温度，所述的锻打温度为1250℃；
（3）镦粗：将步骤（2）中加热好的加工棒料镦成一个圆饼得到镦粗饼料，所述镦粗饼料的厚度高于成品厚度的10mm；
（4）预锻：用预锻模将步骤（3）中得到的镦粗饼料锻打成含中心薄层的造型得到预锻料；所述预锻模的模具的型腔体积与坯料体积的比为1.03:1；在预锻前用forge锻造模拟软件在辗环模上进行扩辗模拟；
（5）冲孔：对步骤（4）中得到的预锻料冲掉中心连皮得到冲孔坯料；
（6）辗环成形：将步骤（5）中得到的冲孔坯料放入辗环模中，用辗环机将冲孔坯料扩辗至产品工艺尺寸即可得到齿轮锻件；所述齿轮锻件在竖直方向无需设计出模角度，而在齿轮锻件底部内孔台阶增加出模角度为2.0°，在齿轮锻件底面增加出模角度为2.0°；所述的辗环机包括芯轴和主辊，芯轴的形状根据齿轮毛坯内孔形状设计，主辊形状根据齿轮毛坯外圆形状设计；扩辗时，主辊以自身中心轴做主动匀速转动，转速为40rpm，芯轴带动冲孔坯料向主辊方向挤压，坯料在扩辗过程中直径变大，壁厚变小，直接得到根据芯轴和主辊截面形状成型的从动锥齿轮锻件。
试验例1：锻造某后桥从动锥齿轮，外径φ480mm，内径φ285mm，重量56.5kg。按传统的锻造工艺，估算其锻造压力P=(64-73)F/q，约为8000kN，需选用6300T或8000T螺旋压力机进行锻打，2500T螺旋压力机锻压力无法满足生产。
按照实施例1中所述方法进行锻造，使用2500T螺旋压力机和精辗设备生产，其包括以下步骤：
（1）下料：根据产品工艺尺寸和实际齿轮毛坯重量，选择圆钢棒料直径φ150mm，接着用圆盘锯锯成长度为415mm的加工棒料，高径比为2.76；
（2）加热：采用22CrMoH齿轮钢，将步骤（1）中得到的加工棒料加热至锻打温度；
（3）镦粗：将步骤（2）中加热好的加工棒料镦成一个圆饼得到镦粗饼料（如图1所示），所述镦粗饼料的厚度75mm，高于成品厚度的6mm，所述镦粗饼料的直径为φ360mm；
（4）预锻：用预锻模将步骤（3）中得到的镦粗饼料锻打成含中心薄层的造型得到预锻料（如图2所示）；所述预锻模的模具的型腔体积与坯料体积的比为1.023:1；在预锻前用forge锻造模拟软件在辗环模上进行扩辗模拟；
（5）冲孔：对步骤（4）中得到的预锻料冲掉中心连皮得到冲孔坯料3（如图3所示），中心连皮直径φ130，厚度10mm左右；
（6）辗环成形：如图4～5所示，将步骤（5）中得到的冲孔坯料3放入辗环模中，用辗环机将冲孔坯料3扩辗至产品工艺尺寸即可得到齿轮锻件（如图6所示）；所述齿轮锻件在竖直方向无需设计出模角度，而在齿轮锻件底部内孔台阶增加出模角度5.0°，在齿轮锻件底面增加出模角度2.0°；所述的辗环机包括芯轴1和主辊2；所述芯轴1的形状根据齿轮毛坯内孔形状设计，所述的主辊2形状根据齿轮毛坯外圆形状设计；扩辗时，主辊2以自身中心轴做主动匀速转动，转速为40rpm，芯轴1带动冲孔坯料向主辊2方向挤压，冲孔坯料3在扩辗过程中直径变大，壁厚变小，直接得到根据芯轴1和主辊2截面形状成型的从动锥齿轮锻件。
所得到的从动锥齿轮锻件的重量57.5kg，飞边/连皮损失仅1kg，从动锥齿轮锻件机加工余量为2.0mm，材料利用率高达98%。实现了降低锻造压力、扩大锻压设备适用范围的目标，并且由于使用了Forge模拟软件辅助设计，解决了辗环成形工艺预锻坯设计的难题，上线一次性锻打成功。
试验例2：
锻造某前从动锥齿轮，外径φ430mm，内径φ265mm，重量38.5kg。按传统的锻造工艺，估算其锻造压力P=(64-73)F/q，约为6200kN，需选用6300T螺旋压力机进行锻打，2500T螺旋压力机锻压力无法满足生产。
按照实施例3中所述方法进行锻造，使用2500T螺旋压力机和精辗设备生产，其包括以下步骤：
（1）下料：根据产品工艺尺寸和实际齿轮毛坯重量，选择圆钢棒料直径φ150mm，接着用圆盘锯锯成长度为285mm的加工棒料，高径比为1.9；
（2）加热：采用22CrMoH齿轮钢，将步骤（1）中得到的加工棒料加热至锻打温度；
（3）镦粗：将步骤（2）中加热好的加工棒料镦成一个圆饼得到镦粗饼料，所述镦粗饼料的厚度70mm，高于成品厚度的5mm，所述镦粗饼料的直径为φ320mm；
（4）预锻：用预锻模将步骤（3）中得到的镦粗饼料锻打成含中心薄层的造型得到预锻料；所述预锻模的模具的型腔体积与坯料体积的比为1.025:1；在预锻前用forge锻造模拟软件在辗环模上进行扩辗模拟；
（5）冲孔：对步骤（4）中得到的预锻料冲掉中心连皮得到冲孔坯料3，中心连皮直径φ120mm，厚度8mm左右；
（6）辗环成形：将步骤（5）中得到的冲孔坯料3放入辗环模中，用辗环机将冲孔坯料3扩辗至产品工艺尺寸即可得到齿轮锻件；所述齿轮锻件在竖直方向无需设计出模角度，而在齿轮锻件底部内孔台阶增加出模角度4.0°，在齿轮锻件底面增加出模角度3.0°；所述的辗环机包括芯轴1和主辊2；所述芯轴1的形状根据齿轮毛坯内孔形状设计，所述的主辊2形状根据齿轮毛坯外圆形状设计；扩辗时，主辊2以自身中心轴做主动匀速转动，转速为40rpm，芯轴1带动冲孔坯料向主辊2方向挤压，冲孔坯料3在扩辗过程中直径变大，壁厚变小，直接得到根据芯轴1和主辊2截面形状成型的从动锥齿轮锻件。
所得到的从动锥齿轮锻件的重量38.5kg，飞边/连皮损失仅0.8kg，从动锥齿轮锻件机加工余量为2.0mm，材料利用率高达97.5%。实现了降低锻造压力、扩大锻压设备适用范围的目标，并且上线一次性锻打成功。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）下料：根据产品工艺尺寸和实际齿轮毛坯重量，选择适合高径比的圆钢棒料，高径比范围在1.5～3.0之间，接着用圆盘锯锯成所需长度得到加工棒料；
（2）加热：将步骤（1）中得到的加工棒料加热至锻打温度，所述的锻打温度为1150℃～1250℃；
（3）镦粗：将步骤（2）中加热好的加工棒料镦成一个圆饼得到镦粗饼料，所述镦粗饼料的厚度高于成品厚度的5～10mm；
（4）预锻：用预锻模将步骤（3）中得到的镦粗饼料锻打成含中心薄层的造型得到预锻料；所述预锻模的模具的型腔体积与坯料体积的比为（1.02～1.03）:1；
（5）冲孔：对步骤（4）中得到的预锻料冲掉中心连皮得到冲孔坯料；
（6）辗环成形：将步骤（5）中得到的冲孔坯料放入辗环模中，用辗环机将冲孔坯料扩辗至产品工艺尺寸即可得到从动锥齿轮锻件。
2.根据权利要求1所述的使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其特征在于：步骤（4）中，在预锻前用forge锻造模拟软件在辗环模上进行扩辗模拟。
3.根据权利要求2所述的使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其特征在于：所述齿轮锻件在竖直方向无需设计出模角度，而在齿轮锻件底部内孔台阶增加出模角度为2.0°～5.0°，在齿轮锻件底面增加出模角度为2.0°～3.0°。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其特征在于：步骤（6）中所述的辗环机包括芯轴和主辊；扩辗时，主辊以自身中心轴做主动匀速转动，芯轴带动冲孔坯料向主辊方向挤压，经过扩辗直接得到成品的从动锥齿轮锻件。
5.根据权利要求4所述的使用辗环成形的从动锥齿轮锻造工艺，其特征在于：所述主辊的转速为40rpm。
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