机车用传动齿轮轮毂锻造工艺与模具设计

姚 军

（四川建筑职业技术学院 机械工程系，四川 德阳 618000）

机车用传动齿轮轮毂广泛用于内燃机车、电力机车等的传动及行走部位，是机车关键零部件。质量要求高，需求量大，通常采用锻件毛坯。因该锻件投影面积大、齿轮盘薄且为深孔，造成齿轮锻造困难。

通过对该锻件结构特点的分析及设备能力的评估[1],设计了锻造模具、切边冲孔复合模，成功实现该锻件的开发。

1 工艺分析

1.1 锻件结构特点

该锻件材质42CrMo4，设计要求对材质的内在质量较高。锻件最大尺寸ø750mm、锻件高度210mm，轮毂部分厚度57mm，通过三维建模，锻件重280kg，锻件外形如图1所示。

图1 锻件外形图

从图中可以看出，该件结构相对简单，尺寸均为自由公差，外形对称；但锻件厚度落差较大、齿盘厚度薄，具备深筋、薄板类锻件的特点。

1.2 材料性能参数

锻件材料具有良好的冷变形性和焊接性，正火后切削加工性尚可，退火后导磁率较高，剩磁较少，但淬透性、淬硬性极低。抗拉强度σb=275～383MPa，抗剪强度 τ=216～304MPa，屈服强度 σs=177MPa，硬度 HRC=61～63。

2 锻件工艺分析

2.1 成形方法的确定

零件形状的基本特征是一般的有凹圆的圆筒形件，内孔直径为ø38，自由公差。一般情况下，拉深件的尺寸精度应在IT13级以下，不宜高于IT11级。主要成形方法是冲裁、拉深、切边冲孔和弯曲。

2.2 拟定工艺流程

锻件存在齿盘不能打靠及顶端难充满的可能性。依据锤上模锻件计算锻件的打击力G=4F经验公式，可得到锻件所需打击力为21t，根据生产条件，对现有设备进行检修、改造。在不同锻造阶段，分别选用10t、16t、19t电液锤，这些设备经改造后打击力均有所提升，加之以往积累了生产盘型锻件的经验，锻造该盘型锻件完全可以实现。

在三维建模后的锻件重量280kg的基础上增加15%的料，用于定额确定下料重量。由此可以设计出一套联合锻造工艺，最终拟定齿轮轮毂工艺流程为：下料-加热-镦粗-模锻-切边-正火-抛丸-探伤-打磨-检查。

3 模具设计

3.1 锻件分模线的确定

依据锻件最大投影面积及利于锻件出模的原则，分模线可选择在齿盘的中部或齿盘的一端两种方式。

经过论证认为：将分模线设置在齿盘一端不利于锻件的切边[2]。切边后，会形成大量的毛刺或引起锻件翘曲变形，最终决定将分模线设计在齿盘中部。中间孔连皮则尽量设计在孔的中部，可保证孔两端具有良好的充填性。

3.2 锻模设计

镦粗过程在10t电液锤上进行，镦粗模采用现有平板模，模锻在19t电液锤生产。为了节省模块成本及提高锻模的导向性能，在合理的范围内，有效缩小模块尺寸，同时提高锻模的导向精度，锻模设计成单型腔锻模及圆形锁扣，如图2所示。

为了锻件充型良好，将锻件距离齿盘大的一端设计在上模，距齿盘近的一端在下模。

利用反挤原理充满难充满部位，以达到良好的填充效果；考虑锻件能够打靠，特意加深了仓部深度而使多余的金属尽量流向仓部[3]，避免因飞边太多冷却过快影响锻模打靠，如图2所示。

图2 锻模俯视图及局部剖面

3.3 切边模设计

锻件切边模采用切边、冲孔复合模设计方案。根据零件的形状特点、生产批量、模具制造条件、操作与安全要求以及利用现有设备的可能，锻件先切边、后冲孔，切边模结构如图3所示。

图3 切边冲孔复合模

首先将带飞边锻件6放置在切边下模3上、启动压力机滑块带动切边上模2下行直至与锻件6接触实现切边，滑块继续下行、切边上模2推动锻件下行与冲头4接触并实现冲孔，滑块及切边上模到达下死点后回程，滑块带动固定在其上的拉杆5向上运动。拉杆5带动托件盘及锻件从下模出来。从而实现切边冲孔两个过程，该过程操作方便、高效。

4 生产试制

4.1 工艺参数确定

（1）确定下料重量

根据工艺分析，开台设定的下料重量为：锻件重+15%材料消耗，拟定3种规格进行试制，下料重分别为 310kg、315kg、320kg。

（2）镦粗

制坯选择10t锤平板模上镦粗，镦粗时要考虑坯料不得发生歪斜并保证锻件有足够的锻比要求，因此选坯料规格为ø330。依据锻件行腔尺寸及金属成型原理，坯料镦粗后直径在550左右[4]。镦粗直径多大坯料被打出，难以保证有足够的金属镦粗反挤成型中间凸起部位，同时由于过多金属外流时发生回填产生折叠；镦粗直径过小锻保证过多坯料不被打到仓部同时保证金属不至于过小而回流。镦粗后高度保持在180±10mm，可利于齿轮上下面的充型。

（2）氧化皮处理

设计一个卡压型腔，在卡压分料的同时去除大部分氧化皮。

（3）齿盘弯曲处理

设计专用的校正样板，对锻件进行100%检查，对于弯曲超差的进行冷校正并去应力退火。

4.2 试生产

设备、工装、工具准备就位后进行了试生产。

（1）坯料加热

加热炉设定温度1150℃，加热坯料。保温6～8h，直到保透为止。

（2）镦粗

镦粗前，先在坯料上下端撒湿锯末便于镦粗时去氧化皮。选择10t电液锤对坯料进行镦粗[5]，当锻锤与坯料接触后，燃烧的锯末在间隙内燃烧产生的高温气体将表面氧化皮去除，而坯料圆表面的氧化皮则由自然变形而去除。镦粗后的坯料，其高度尺寸为180±10mm，直径为 ø550mm±20mm，如图 4所示。

（2）锻打

图4 镦粗坯料尺寸

将镦粗的坯料用操作机夹持到16t电液锤上进行锻造。先轻击定位，后重击，将坯料锻造成型直至各部位完全充型。

（3）模锻

锻造完成后的锻件用操作机平整摆放入切边冲孔复合模中，进行切边、冲孔。

（4）检验

最后检查锻件表面质量及充满情况，同时检查锻件错移及厚度尺寸，若符合要求后便可批量生产。

4.3 试生产结果分析

经过试制，验证三种下料规格的原材料，皆能实现齿轮毂的锻造成形。

但310kg的坯料飞边偏小，一旦发生设备故障等意外因素有可能导致充型不满；

320kg规格材料虽充型效果较好但不利于降本增效；

为了保持工艺的稳定性及成本可控而摒弃了上述两种规格，而取中间的315kg规格。

5 存在的问题及改进

5.1 锻件错移

试制中，存在的突出问题是部分锻件错移较大。虽不至于难以加工见光，但存在这方面的风险。

5.2 锻件超厚

检查锻件厚度尺寸，普遍存在超厚现象，这在设计之初是预料到的，而且伴随个别锻件厚度不均现象。

但考虑到是全加工件，只要超厚不太大是可以接受的[6]。而如果一味追求名义尺寸，在生产时再进行多锤次锻造也难以实现且对工装寿命有不利影响。

5.3 问题的主要原因与改进

对于发生上述问题的主要原因分析如下：

（1）错移原因与改进

打击过程中由于存在冲击，锤头有晃动导致错移。同时观察飞边发现与镦粗料未能摆到终锻模膛正中有一定关系，坯料不均造成锤头发生扭转，在击打过程中累积成错移。

（2）超厚原因与改进

锻件厚度未能打靠，是设备打击力过小。考虑到齿轮齿盘较薄，当击打到后期，齿轮盘冷却速度快，温度过低，无论如何打击金属也难以流出，致使大量金属留在模膛[7]，锻件难以打靠。

因此，要控制好生产节拍，生产过程中不要有附加的时间耽误，镦粗之后快速的转移至终锻模膛，避免温度的流失。

6 结论

通过对机车用传动齿轮轮毂锻件性能的分析，掌握了该类锻件的成形特点，所设计的工艺方案与制造模具，能够成功、高效生产出满足要求的产品。通过对该类锻件的全过程分析及研究，为今后类似产品设计奠定了坚实基础。