一种三锥同步器锥环锻造工艺改进的分析及验证

文／孟俊·陕西法士特齿轮有限责任公司

某三锥同步器锥环锻造时不易充满，且易粘上模，锻件变形大，模具寿命较低，改进前锻件外形九齿未锻出，由后续机加铣出外部齿形，机加生产节奏慢，已无法满足现有的生产计划。通过锻造工艺的改进及模具结构的优化，热锻直接锻出外形九爪，降低生产成本，提高生产节奏，设计成形镦粗台，增加预锻，改进上顶出结构，上下模增加阻尼槽，极大地改善锻件充满性，杜绝了锻件粘上模现象的发生，通过模具整体改分体结构，提高模具硬度以及模具型腔表面增加离子渗氮，进而提高模具寿命。

近期，公司一种副箱三锥面同步器锥环(图1)逐渐上量，以往生产基本每月五六百件，目前月需求量大幅度增加，现有的机加能力已无法满足当前生产需求。通过锻造工艺的改进及现场实例的分析验证，锻造直接锻出外形九齿，极大地加快了机加工生产节拍，同时减少了原材料的消耗，降低了生产成本，在实际生产中取得了显著成果。

图1 副箱三锥面同步器锥环

该锻件总厚20mm，外圆直径为φ199mm，内孔直径为φ130mm，并且还带有三处凹槽非加工面，属于形状复杂系数较高的典型薄壁件，锻造时其异形圆角处不易充满，且终锻锻件易粘上模，顶出变形大，模具寿命较低，改进前锻件外形九爪未锻出，后续机加铣出外部齿形，单铣齿工序节拍16 分钟/件，生产节奏慢，无法满足现有的生产计划。

锻造工艺的改进及验证

锻造工艺的选择

⑴第一种方案：热切九齿。

保留原有的终锻模具型腔不变，设计了一套带导向定位键的弹性冲孔切边模(图2)，在冲孔切边工序直接热切出外形九齿，热切前后锻件见图3。现场验证200 件后发现，锻件平面度不稳定，九齿外圆尖角处变形不可控。当切边锻件温度相对比较低时，热切变形比较大，尤其是九个齿的齿尖极易拉变形，该过程不可控，存在一定的质量隐患，且耗料比较大，锻件成本较大，此方案不可取。

图2 热切模具

图3 热切前后锻件

⑵第二种方案：热锻九齿。

直接在终锻模具型腔设计锻出九齿，现场验证200 件后发现，锻件尺寸基本能保证，但现场实际生产时存在一系列的问题，无法进行连续性的保质保量的生产。由于上模型腔形状较复杂，且该零件属于形状复杂系数较高的典型薄壁件，锻件在非加工槽孔处极易存在充不满的现象。锻件易粘上模，上顶出不顺，一半脱离型腔一半还在型腔里，导致锻件变形较大，冲孔时锻件放不进冲孔凹模内，造成生产中断；锻造模具寿命低，该件模具型腔的加工周期较长，生产需求量较大，模具生产已无法满足现有的生产需求。

对比以上两种方案，最终选择方案二，并针对方案二的不足进行逐条分析及改进，结合现场生产验证确定最终的生产方案。

锻造工艺的改进及验证

⑴针对充不满的改进。

增加预锻(图4)，结合DEFORM 模拟软件，增加预锻型腔，使坯料进行预分流，预锻型腔不建议做成较复杂的异形型腔，生产验证发现，终锻时锻件易发生折叠缺陷。该件内孔大，壁厚薄，预锻型腔设计时将料锻打成类似辗环件，尽可能将中间连皮多余的料排出去，终锻时坯料在型腔内镦粗充满型腔，不要有剧烈的料的流向，同时要将预锻型腔的过渡圆角尽可能设计的大一些。成形镦粗台、预锻、终锻下模设计定位槽，可保证坯料在模具型腔中的准确定位，避免料放偏，便于进一步锻造成形，薄壁件极易发生料偏，一侧充不满的缺陷，保证终锻时成形的饱满性，无折叠等质量缺陷；在飞边处加阻尼槽，起到阻止金属流动，使金属反充便于充满非加工槽孔处，改进前后模具见图5。

图4 预锻件

图5 改进前后模具

上述工艺设计的改进，已完全解决锻件不能充满的质量缺陷。

⑵针对易粘上模、变形大的改进。

对原有的上顶杆结构进行改进，加大上顶杆顶出锻件的接触面积，由原有的φ40mm 加大至φ55mm，上顶出不顺易粘上模导致的锻件变形问题彻底解决，见图6。

图6 改进前后上顶出结构

⑶针对模具寿命低的改进。

将原有的整体模具从型腔易开裂处(图7)改成分体结构，将外压圈做成通用件，同时提高模芯硬度，现场生产验证后发现，不仅解决了整体模具从壁厚较薄处易开裂的风险，同时提高了模具寿命；模具型腔表面增加离子渗氮，现场生产验证后发现，模具寿命提高至原有的1.5 倍。

图7 开裂模具

⑷批量化生产验证。

按以上三处改进措施已批量化投放模具，现场已大批量生产十万件以上，如图8 所示，锻件尺寸合格，无折叠、充不满等锻造缺陷；模具寿命良好。

图8 锻件图

总结

⑴由于三锥同步器锥环需求量比较大，机加无法满足现有的生产节奏。工艺改进后，直接锻出外形九齿，机加工序节拍提高了两倍，极大地提高了现有的生产能力。

⑵增加预锻工步，成形镦粗台、预锻模具、终锻下模设计定位槽，可保证坯料在模具型腔中的准确定位，增加阻尼槽，增加了飞边阻力，上述措施可有效保证锻件充满性。

⑶整体模具改为分体模具，提高模具硬度，模具型腔表面增加离子渗氮，模具寿命提高至原有的1.5 倍。

⑷以上措施提高了锻件生产合格率，其设计理念可以应用到相同结构零件的锻造成形设计中，具有一定的借鉴意义，实现形状复杂系数较高的典型薄壁锻件的批量化生产。