鍛件沖連皮殘留料環(huán)原因分析及改進(jìn)

文/高原，周昌鋒，梁磊·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

由于國內(nèi)重卡市場銷量連續(xù)多年破百萬輛，重卡用重型變速器也得到了快速發(fā)展。我公司作為產(chǎn)銷世界第一的重型變速器生產(chǎn)企業(yè)，同時也是國內(nèi)主要的重型變速器供應(yīng)商。齒輪作為變速器的主要組成部分，充分保證齒輪生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)的高效率是保證大批量變速箱按期交付的前提。

在變速器齒輪的鍛造過程中，沖連皮一般是閉式模鍛的最后一道工序，鍛件上的孔需要沖連皮加工出，減少了后續(xù)粗加工中的鉆孔工序。當(dāng)鍛件在多工位鍛壓機(jī)自動生產(chǎn)線上生產(chǎn)時，沖連皮在鍛壓機(jī)上完成；在模鍛錘或螺旋壓力機(jī)上生產(chǎn)時，需要在一臺小噸位的壓力機(jī)上沖連皮。我公司某變速器雙聯(lián)齒輪零件（以下簡稱“雙聯(lián)齒輪”）簡圖如圖1 所示，雙聯(lián)齒輪鍛造齒坯在2t 程控錘上完成鍛造成形后，在250t閉式單點(diǎn)壓力機(jī)上進(jìn)行沖連皮工序。圖2 是雙聯(lián)齒輪的冷鍛件圖，其中φ34.5mm 的孔就是在壓力機(jī)上沖連皮工序加工而成。

在首輪生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)，完成沖連皮后沖頭上行，會附帶沖出一個比凹模刃口稍大且形狀較規(guī)則的料環(huán)，同時也拉出較大毛刺。圖3 中左下角為沖掉的連皮，中間為沖連皮完成后的鍛件，右上角為殘留料環(huán)。殘留料環(huán)或粘牢在凹模刃口處，或粘附在鍛件下內(nèi)孔φ43.5mm 處，或掉落在凹模刃口附近。料環(huán)粘在鍛件或者凹模上時，需要操作工用鉗子用力翹起，增加了勞動強(qiáng)度；即使料環(huán)掉落在凹模中時，也需要手動用鉗子夾出，嚴(yán)重降低了生產(chǎn)效率。高溫的殘留料環(huán)粘附在凹模刃口上長時間與凹模刃口接觸，也會加快刃口的磨損，降低模具壽命。這個殘留料環(huán)已經(jīng)嚴(yán)重影響了雙聯(lián)齒輪的正常生產(chǎn)，亟待解決。

問題分析

雙聯(lián)齒輪沖連皮模具結(jié)構(gòu)如圖4 所示，沖頭、上模板拉緊在燕尾上并固定在250t 閉式單點(diǎn)壓力機(jī)上模體上，凹模安裝在下模座上，下模座通過壓板結(jié)構(gòu)固定在250t 閉式單點(diǎn)壓力機(jī)下模體上。壓力機(jī)滑塊下行時帶動沖頭下行，沖頭接觸連皮繼續(xù)下行切斷連皮，直至沖頭刃口進(jìn)入凹模刃口將連皮從凹模下方推出落下，下到壓力機(jī)下死點(diǎn)后，壓力機(jī)上行回到上死點(diǎn)，完成一次沖連皮。分析此凹模結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，由于冷鍛件中φ43.5mm 尺寸與沖連皮尺寸φ34.5mm有一定距離，單邊達(dá)4.5mm，在完成沖頭刃口下行并進(jìn)入凹模時，沖頭、凹模、鍛件之間會形成一個空腔。在沖連皮過程中，沖連皮處的金屬在沖頭的推動下向下流動，同時，部分金屬也會充填空腔，當(dāng)此部分金屬與凹模刃口接觸時，有可能會被凹模刃口切斷，從而形成殘留料環(huán)。利用Deform 對沖連皮過程進(jìn)行有限元模擬，如圖5 所示，也出現(xiàn)了沖頭把連皮處金屬推進(jìn)空腔后將會被刃口切斷成料環(huán)的結(jié)果，更直觀地顯示了在沖連皮過程中殘留料環(huán)的形成。

改善措施并驗(yàn)證

分析可知，沖連皮過程中，沖頭、凹模、鍛件之間形成的空腔是造成沖連皮后殘留料環(huán)的根本原因，因此需要更改鍛件結(jié)構(gòu)或模具結(jié)構(gòu)，從而填補(bǔ)空腔避免沖出殘留料環(huán)?，F(xiàn)從改進(jìn)鍛件結(jié)構(gòu)或模具結(jié)構(gòu)兩個方面分析改善：

一是改進(jìn)鍛件結(jié)構(gòu)。分析可知，鍛件毛坯圖中的φ43.5mm 尺寸與沖連皮尺寸φ34.5mm 有一定距離，單邊達(dá)4.5mm，在此處形成空腔，這是最終形成殘留料環(huán)的原因。因此，可以考慮在鍛件尺寸上填補(bǔ)空腔，將φ43.5mm 尺寸縮小至φ36.5mm，如圖6 所示，這樣就可使空腔大大減小，從而避免沖連皮時沖出殘留料環(huán)。但這種改動，會讓此處的加工余量由改進(jìn)之前的單邊1.75mm 增加至單邊5.25mm，直接加大了此處的機(jī)加工余量，車削時需要多次走刀，不利于機(jī)加工。此外，還會增加32g 材料耗費(fèi)。顯然，這種改善方式不是最理想的。

二是改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)有鍛件結(jié)構(gòu)，更改凹模結(jié)構(gòu)，在凹模刃口處增加環(huán)形凸臺，如圖7 所示，環(huán)形凸臺的作用是在沖連皮過程中預(yù)先填充鍛件對應(yīng)空腔，從而能夠有效避免沖連皮時沖出殘留料環(huán)，這是有效的解決方案。

按照這個更改模具結(jié)構(gòu)的方案，重新投制了凹模（圖8），并現(xiàn)場生產(chǎn)再次試制沖連皮，發(fā)現(xiàn)增加環(huán)形凸臺后，殘留料環(huán)消失。同時明顯改善了沖連皮質(zhì)量，未見沖連皮拉出毛刺情況（圖9）。

結(jié)論

本文通過分析某雙聯(lián)齒輪沖連皮時沖出殘留料環(huán)的原因，針對產(chǎn)生原因提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。具體結(jié)論如下：

⑴沖連皮時，沖頭、鍛件、凹模之間形成的空腔是導(dǎo)致產(chǎn)生殘留料環(huán)的根本原因。

⑵改進(jìn)鍛件結(jié)構(gòu)可有效避免形成空腔，但會增加機(jī)加工余量，并增加32g 材料，故此方法不是最理想的。

⑶改進(jìn)凹模結(jié)構(gòu)，在凹模刃口處增加環(huán)形凸臺，能有效避免沖連皮帶殘留料環(huán)，并明顯改善沖連皮質(zhì)量。