嵌入式双面油槽齿坯锻造工艺和模具设计

琚杰，江叔通，李飞峰，黄辉龙

（南昌齿轮锻造厂，江西南昌330044）

嵌入式双面油槽齿坯锻造工艺和模具设计

琚杰，江叔通，李飞峰，黄辉龙

（南昌齿轮锻造厂，江西南昌330044）

嵌入式双面油槽齿坯的油槽会直接热锻成形，为防止嵌入端油槽产生油槽不通的质量问题，对3种工艺方案进行了论述，嵌入端油槽放置在下模的小无飞边锻造工艺方案可解决锻件错移与定位面一致性问题，进而解决油槽不通的问题。对小无飞边锻造工艺的模具结构进行阐述，经验证，上模的使用寿命要高于闭式模锻的。

嵌入式双面油槽；齿坯；小无飞边锻造；闭式模锻

为提高汽车变速箱齿轮的力学性能和材料利用率，齿轮毛坯需锻造，为了能够获得较好的润滑效果，则会设计单面或双面油槽[1]。因档位齿轮的尺寸不同，双面油槽的齿轮会在凸台端（与同步器齿环的焊接一端）设计油槽，反面设计轮辐，轮辐的作用是为了减重和储油，油槽设计在轮毂端面上，将该种类型的齿轮称为带轮辐的双面油槽齿轮[2]，该种结构齿轮一般用于输出大扭矩低转速的场合。受到径向尺寸的限制，低扭矩高转速的齿轮则无法设计轮辐，则油槽只能设计在端面上，该种类型的齿轮称为嵌入式双面油槽齿轮，其毛坯称为嵌入式双面油槽齿坯，图1为一种嵌入式双面油槽齿轮结构的粗车图，上端的油槽嵌入大端面深度0.9 mm.

图1　嵌入式双面油槽齿坯粗车图

齿坯的油槽可通过铣、冷冲或热锻工艺成形，若嵌入端的油槽若采用铣或者冷冲工艺完成，此两种工艺不但会增加材料消耗，而且会因增加工序，带来近20%制造成本的增长，不可取。故设计嵌入式双面油槽齿坯锻造工艺时，齿坯的双面油槽，尤其是嵌入端的油槽，会设计直接锻造成形，后续不再进行切削加工。因两端的油槽深度公差需控制在±0.5 mm内，故所用的锻造设备则能控制锻件封闭高度，如热模锻压力机或闭式单点压力机[3]。为保证第二热处理（渗碳淬火）时不发生分模面裂纹质量问题，对齿坯锻造要求使用闭式模锻[4]。

1　工艺分析

图1中为某变速器的输出轴五档齿轮，双面油槽有8处，都是圆形油槽（R7）非加工面，即油槽直接锻造成形，下端凸台φ56.1±0.15 mm处的油槽为贯穿性油槽，上端油槽从A向可以得知，油槽的外径为φ54.3 mm，上端凸台的外径为φ53.8±0.15 mm，相对于上端凸台，油槽沿径向往外伸出0.25 mm.

该齿轮材料为20MnCrS5，等温正火硬度160 ~190HB，金相和带状为1-3级。从锻造工艺角度考虑，凸台φ56.1±0.15 mm放置在下端锻造，锻件较易成形，锻件图设计见图2（a）所示，此设计将嵌入端的油槽放置在上模，实际锻造过程中受设备、模座[5]和模具等精度的影响，锻件会产生错移，且错移量无法全部控制在0.5 mm内。闭式模锻的齿坯切削加工时，第一道工序（粗车）装夹位是以毛坯在下模成形处来定位，也就意味着上模的错移无法通过切削加工来纠正，若嵌入端油槽放置在上模，则会造成油槽不通，见图3所示，精车后嵌入端形成约0.8 mm凸起的筋，需要打磨，若错移严重时，则会破坏齿根。

图2　齿坯锻件图

图3　a方案精车后油槽不通

为保证嵌入端的油槽错移在控制范围内，粗基准（第一道工序基准）需与嵌入油槽端一致，故设计时只能将嵌入油槽端放置在下模，此种锻造工艺方案则会增加工艺难度，但可保证错移量在控制范围内。图2（b）为按照近净成形技术设计的锻件图，分模位置在凸台底端，考虑便于脱模，上模的拔模角为5°，但上模与下模接触的壁厚最薄处只有4.83 mm（（φ70.84 -φ61.17）/2），该处很容易在锻造时受到偏载力而造成上模崩缺，该种闭式设计的方案不可行。若设计工艺余块，将分模位置往上移至与凸台顶面平行，如图2（c）所示，此种方案虽然保证错移量，但会增加材料消耗0.19 kg/件，切削时间和热处理费用，此方案也不太可取。

若采用小无飞边锻造方式，以增强b方案的上模径向厚度，可为较为合理的方案，此不会增加材料消耗，根经验公式[6]计算选择的设备为40MN闭式单点压力机。变形工步选择为镦粗之后直接终锻，选择40规格及长度为67.4mm的坯料（重为0.66kg），坯料镦粗至厚度为22 mm，将镦粗坯料直接放入模具型腔内成形，切边冲孔之后获得所需要的锻件。图4为使用b方案锻造出的齿坯精车后的状态，两端油槽从凸台往外延伸且分布均匀，未出现图3呈现的筋，故解决了油槽不通的问题。

图4　b方案精车后油槽通且分布均分

2　模具设计

根据锻件图2（b）方案和压型设备设计模具结构[7]，如图5所示，1为上模，2为下模，3为下模镶块，4为顶杆。分模面选择在φ70.84 mm处，相对于闭式模锻，上模1的外径单边增大了10 mm，以增加强度。由于所用压型设备为闭式单点压力机，上模1与下模2不能接触，留用3 mm的间隙，导向间隙为0.8~1 mm，多余金属流入上下模之间的间隙。

图5　齿坯模具结构图

为提高保证生产效率和模具寿命，上模1、下模2和下模镶块3使用红硬性较好的材料H13，硬度可选择为HRC46-50，顶杆4使用的材料为3Cr2W8V，硬度为HRC48-52.模具翻新采取的方式为下落，下模2可以小改大，以节省模具投入。

闭式模锻形成纵向飞边阶段，对模具的损伤非常大，图6为闭式模锻的上模，从图中可以发现上模咬边较为严重，而小无飞边锻造产生横向飞边，故不会出现咬边情况，如图7所示，经批量生产验证，小无飞边锻造的上模使用寿命比闭式模锻的要高25%~30%.

图6　闭式模锻的上模

图7　小无飞边锻造的上模

3　结束语

嵌入式双面油槽齿坯受制造成本的影响，油槽会采用热锻直接成形。对该种类型齿坯进行锻造工艺设计时，若将嵌入端油槽面放在上模采用闭式模锻，因无法纠正上下模错移，则会产生油槽不通的质量问题。若将嵌入端油槽放置在下模采用闭式模锻时，可以控制错移量，但上模较薄则会造成上模崩缺，选择增加工艺余块的方案，虽可控制错移，但经济上不可行。使用将嵌入端油槽放置在下模的小无飞边锻造工艺，很好解决了嵌入端油槽不通的问题。

对小无飞边锻造的模具结构进行了论述，并阐述了模具配合间隙和所用材料，经批量生产验证，小无飞边锻造的上模使用寿命要高于闭式模锻。

[1]蒋鹏.汽车用齿坯的精密锻造技术[J].金属加工（热加工），2009，（17）：16-18.

[2]中国锻压协会.汽车典型锻件生产[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3]闫洪.锻造工艺与模具设计[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]余汪洋.齿坯闭式模锻的模具设计[J].机械工艺师，1994，（4）：12-14.

[5]卢建中.摩擦压力机闭式模锻齿坯模架结构设计[J].机械管理开发，2001，63（3）：61-62.

[6]姚泽坤.锻造工艺学与模具设计[M].西安：西北工业大学出版社，2007.

[7]许发樾.实用模具设计与制造手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

The Design of Forging Technology and Die for Gear Blank With Embedded Double-Sided Oil Groove

JU Jie，JIANG Shu-tong，LI Fei-feng，HUANG Hui-long
（Nanchang Gear Forging Factory，Nanchang Jiangxi 330034，China）

The oil groove of the gear blank with embedded double-side oil groove is directly hot forging，in order to prevent the quality problem of the blocked oil groove in the embedded end slot，3 kinds of process schemes are discussed，the small no flash forging process of the lower die by the side of the embedded end oil groove can solve the problem of the consistency between the forging and the positioning surface，and then solve the problem of the blocked oil groove.The die structure of the small no flash forging process is expounded，the life of the upper die is higher than that of the closed die forging.

embedded double-sided oil groove；gear blank；small no flash forging；closed die forging

TG316

A

1672-545X（2016）10-0109-03

2016-07-07

琚杰（1981-），男，江西德兴人，助理工程师，学士，主要从事锻造工艺和市场开发工作。