主減速器從動齒輪分模面裂紋分析和鍛造工藝優(yōu)化

江叔通，譚明皓，黃輝龍，洪 昕

(南昌齒輪鍛造廠，江西 南昌 330044)

主減速器從動齒輪分模面裂紋分析和鍛造工藝優(yōu)化

江叔通，譚明皓，黃輝龍，洪 昕

(南昌齒輪鍛造廠，江西 南昌 330044)

對在模鍛錘上生產(chǎn)的主減速器從動齒輪產(chǎn)生的分模面裂紋進行分析，精車時發(fā)現(xiàn)的裂紋是金屬回流折疊；在滲碳淬火后發(fā)現(xiàn)的裂紋為擴張性延伸裂紋，是由原材料心部的缺陷和夾雜物沿分模面聚集析出形成的纖維露頭，或者分模面的層狀結(jié)構(gòu)造成的。為消除開式模鍛引起的分模面裂紋質(zhì)量缺陷和避免材料消耗大，在螺旋壓力機上采用閉式模鍛工藝，鍛件流線呈封閉狀態(tài)，使原材料心部的缺陷和夾雜物被包裹在鍛件內(nèi)。采用該工藝可獲得完整的鍛件流線和較小的輪緣拔模斜度。

主減速器從動齒輪；分模面裂紋；回流折疊；擴張性延伸裂紋；閉式模鍛

主減速器從動齒輪(以下簡稱主減)為變速箱中最大直徑的齒坯類零件，其鍛件主要在模鍛錘上生產(chǎn)，但模鍛錘無下頂出機構(gòu)，故在鍛造工藝設(shè)計時，只能采用開式模鍛，分模面設(shè)在輪緣中間部位或附近位置，以便于鍛件出模。在模鍛錘上完成鐓粗和終鍛，由于設(shè)備打擊力的中心須與錘鍛模的型腔中心一致，故鐓粗位置只能分布在終鍛型腔左下側(cè)或右下側(cè)。在制坯時，由于設(shè)備偏載打擊，因而造成坯料是偏斜的。

在模鍛錘上生產(chǎn)的主減毛坯，精車時會發(fā)現(xiàn)少部分零件分模面處存在裂紋(見圖1)。為了杜絕裂紋件流入后序，精車之后增加了磁粉探傷工序以檢測裂紋件，探傷合格后轉(zhuǎn)入下道工序，但仍有少量零件在經(jīng)過滲碳淬火后出現(xiàn)分模面裂紋(見圖2)。

圖1 精車時發(fā)現(xiàn)有裂紋的主減 圖2 滲碳淬火后發(fā)現(xiàn)有裂紋的主減

本文針對上述2種不同形式的裂紋進行原因分析，同時為杜絕該質(zhì)量問題，對鍛造工藝進行優(yōu)化。

1 主減分模面裂紋分析

1.1 精車時發(fā)現(xiàn)的裂紋分析

從圖1可知，裂紋為局部而未貫穿整個外圓，位置出現(xiàn)在主減分模面處。精車時發(fā)現(xiàn)有裂紋的主減流線和金相圖如圖3所示。

圖3 精車時發(fā)現(xiàn)有裂紋的主減流線和金相圖

從圖3a可以看出，左端(折疊處)金屬流動劇烈，心部組織沿分模面析出，右端心部組織包容在鍛件內(nèi)部，可判定為坯料擺放在型腔內(nèi)時過于靠左端。鍛打時，左端先形成飛邊，飛邊冷卻呈剛性，金屬沿最小阻力方向流動，故左端阻力變大，勢必會造成金屬回流而形成折疊[1-2]。從圖3b分析可以看出，該裂紋頭部較寬、尾部尖細，沿一定角度由外向內(nèi)延伸，未發(fā)現(xiàn)有非金屬夾雜物，裂紋兩側(cè)有脫碳，判定該裂紋在等溫正火之前已存在，為鍛造折疊。裂紋尾部以下有一條明顯的白亮帶，該白亮帶珠光體比正常組織少很多，基本為鐵素體，同樣證明該裂紋是由金屬在下分模處回流造成的鍛造折疊。

1.2 滲碳淬火時發(fā)現(xiàn)的裂紋分析

對滲碳淬火后有裂紋的主減進行分析(見圖4)，其裂紋貫穿整圈齒面，取樣的裂紋口寬約為0.52 mm，裂紋兩側(cè)無脫碳，尾部也未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物。從裂紋內(nèi)部走向來看，沿著心部材料流線方向往內(nèi)延伸，可判定為應(yīng)力引起的裂紋。

圖4 滲碳淬火后發(fā)現(xiàn)有裂紋的主減試樣和金相圖

鍛造分模面是上、下模結(jié)合部位，此部位在鍛造時變形最劇烈，原材料心部的缺陷和夾雜物沿分模面聚集、析出，經(jīng)切邊極易產(chǎn)生大量纖維露頭。在滲碳淬火時，每一個纖維露頭都是一個顯微缺陷，這些顯微缺陷易形成應(yīng)力集中點，進而產(chǎn)生應(yīng)力集中沿分模面開裂[3]。

鍛打時，金屬與型腔表面存在相對移動的外摩擦，以及晶界和晶內(nèi)滑移的內(nèi)摩擦，導(dǎo)致表面與心部金屬流動速率不同，這種表層與心部的相對運動，勢必會匯集于分模面上而形成層狀結(jié)構(gòu)，而這種層狀結(jié)構(gòu)的抗撕裂能力很低[4]。

由于上述2種原因，在淬火時的高應(yīng)力易使分模面產(chǎn)生貫穿性裂紋，開口大且延伸長。

2 鍛造工藝優(yōu)化

在模鍛錘上(開式模鍛)生產(chǎn)主減鍛件，除了會造成分模面處裂紋和折疊等缺陷外，還存在如下2個典型問題。

1)鍛件飛邊造成材料消耗的增加。因模鍛錘無下頂出機構(gòu)，故應(yīng)設(shè)計飛邊頂出鍛件，另消除因坯料擺偏而造成鍛件充不滿的質(zhì)量問題，也應(yīng)增加材料消耗。

2)整體模的結(jié)構(gòu)方式造成較大的鍛件拔模角，不但會增加材料消耗，而且會造成后續(xù)車削余量大，不利于裝夾。因模具的根部為應(yīng)力集中位置，為防止模具根部早期開裂失效，故設(shè)計鍛造模具時，主減輪緣的拔模斜度一般≥5°。

為消除開式模鍛引起的分模面裂紋質(zhì)量缺陷，避免材料消耗大，研究采用閉式模鍛工藝。閉式模鍛的坯料在四周封閉的模膛中成形，不產(chǎn)生橫向飛邊，少量的多余材料形成縱向飛邊，一般使用具有下頂出機構(gòu)的螺旋壓力機可實現(xiàn)閉式模鍛工藝[5]。利用高速圓盤鋸可對下料件的質(zhì)量進行控制，可使用閉式?jīng)_床或壓力機制坯(鐓粗)，但需控制坯料的高度，以便坯料能均勻地被放置在型腔中，否則一端產(chǎn)生較大的縱向飛邊[6-7]，對應(yīng)的一端充不滿。壓型完成之后，沖孔時，若主減輪輻薄，應(yīng)對鍛件進行約束[8]。

某種主減閉式模鍛的鍛件流線圖如圖5所示，鍛件無橫向飛邊，多余的料產(chǎn)生縱向飛邊。流線呈封閉狀態(tài)，原材料心部的缺陷和夾雜物被包裹在鍛件內(nèi)，原分模面處的力學(xué)性能獲得提高。鍛件整體的流線完整，未被破壞，不易產(chǎn)生折疊。輪緣的拔模斜度較小，利于后續(xù)裝夾和切削加工。

圖5 主減閉式模鍛的鍛件流線圖

某主減閉式模鍛的模具結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。上模墊板和上模安裝在上模套內(nèi)，為間隙配合，配合間隙為0.1～0.2 mm，上模翻新方式為下落。下模與下模鑲塊設(shè)計成分體結(jié)構(gòu)[9]，以防止下模根部應(yīng)力開裂，下模鑲塊安裝在下模內(nèi)，為間隙配合，配合間隙為0.3～0.5 mm，以防止壓型時下模鉆料和便于氣體跑出下型腔。頂桿安裝在下模鑲塊內(nèi)，間隙約為0.8 mm。由于該套模具結(jié)構(gòu)設(shè)計了下頂出機構(gòu)，主減鍛件輪緣的拔模斜度可以減少至約為1°。

圖6 主減閉式模鍛的模具結(jié)構(gòu)圖

該主減的閉式模具結(jié)構(gòu)設(shè)計了導(dǎo)向行程，上?？蛇M入下模距離約為H，其中H段位置為導(dǎo)向行程，上模和下模的間隙為0.4～0.6 mm。導(dǎo)向行程可控制鍛件的錯移量，若設(shè)備或模座的導(dǎo)向精度不夠時，導(dǎo)向行程可起作用[10]。另在模具安裝時，保證上模與下模的同心度。

3 結(jié)語

模鍛錘上使用開式模鍛工藝生產(chǎn)的主減鍛件，不但會造成分模面處金屬回流折疊和擴張性延伸裂紋等嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，而且會增加材料消耗。在具有下頂出機構(gòu)的螺旋壓力機上采用閉式模鍛工藝鍛造主減，鍛件流線呈封閉狀態(tài)，原材料心部的缺陷和夾雜物被包裹在鍛件內(nèi)，原分模面處的力學(xué)性能獲得提高，同時獲得完整的鍛件流線和較小的輪緣拔模斜度。

[1] 程里. 模鍛件分模面淬火裂紋分析與預(yù)防[J].金屬熱處理，2004(10)：62-64.

[2] 關(guān)紹臣. 曲軸模鍛件分模面裂紋的分析與預(yù)防[J].機械工人，2008(1)：101-102,105.

[3] 程里，龔超. φ550 mm行車輪模鍛件分模面裂紋分析[J]. 鍛壓技術(shù)，2008(1)：24-26.

[4] 呂炎. 鍛造缺陷分析與對策[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[5] 余汪洋. 齒坯閉式模鍛的模具設(shè)計[J].機械工藝師，1994(4)：12-14.

[6] 盧建中. 摩擦壓力機閉式模鍛齒坯模架結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 機械管理開發(fā)，2001(3)：61-62.

[7] 陳文琳. 齒輪坯套鍛新工藝[J]. 鍛壓機械，2001(4)：24-25.[8] 張發(fā)廷. 汽車后橋從動齒輪閉式模鍛工藝研究[J]. 鍛壓技術(shù)，2008(4)：16-18.

[9] 姚澤坤. 鍛造工藝學(xué)與模具設(shè)計[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[10] 許發(fā)樾. 實用模具設(shè)計與制造手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.

責(zé)任編輯 鄭練

Analysis of the Crack in Parting Face and Forging Process Optimization of Master Reduction Driven Gear

JIANG Shutong, TAN Minghao, HUANG Huilong, HONG Xin

(Nanchang Gear Forging Factory, Nanchang 330044, China)

Analysis is made on the crack of the die surface produced by the main reduction gear driven gear on the die forging hammer, the crack which is found during finish turning is metal reflux. After carburizing and quenching, it is found that the crack is the dilated extension crack, which is caused by the fiber exposing that formed the defect and inclusions of the core raw material agglomerated and precipitated along the parting face, or the layer structure of the parting surface. In order to eliminate the quality defect of crack in parting face and more material consumption caused by open die forging, the closed die forging process is adopted in the screw press, and the forging flow line is also closed. Flaws and inclusions of the raw material are wrapped in the forging, the complete forging streamline and smaller draft angle can be obtained by using the process.

main reduction driven gear, crack in parting face, reflux fold, dilated extension crack, closed die forging

TG 157

A

江叔通(1978-)，男，技術(shù)開發(fā)部部長，工程師，碩士，主要從事鍛造工藝、模具制造和機械加工等方面的研究。

2016-08-30