长短齿零件冷锻工艺研究

1、带倒角面的长短齿零件工艺研究一. 背景和研究1.1 研究背景内圈为某款电动工具内的动力传输零件（见图1.1），利用2组齿形相同但齿宽不一样的齿轮与离合器啮合（见图1.2），工作中受到冲击，齿形受力较为复杂，齿形强度要求较高。零件结构相对较复杂，保证齿形强度下，传统的铣削加工和粉末冶金都不能加工，齿形锻造成型最佳。 图1.1 内圈成品CG图 图1.2 内圈装配图1.2 现状及加工现客户使用材料20CrMo，使用方法为热锻成型毛坯，机加工钻孔、车槽和端面。热锻涉及到微观金相组织的变化，强度受到一定影响，而且热锻成本较高。因某些原因，客户要求使用GCr15代替20CrMo，并指定用冷锻工艺成型锻坯以

2、降低生产成本。1.3 研究方向GCr15为冷锻极限，毛坯材料对锻造工艺影响很大。GCr15相对常用锻造材料20CrMo、SAE8620来说相对较硬，780完全退火后硬度达到130HB，相对与20CrMo的退火硬度100115HB较硬，而且GCr15冷作效果更好，38.4%小变形量挤压后硬度与20CrMo相差不大甚至小于后者，前者硬度162HB后者硬度168HB，但是挤压齿形时变形量为12%，GCr15会双边涨形约0.1mm，20CrMo双边涨形约0.02mm。研究方向暂定为：1）如何成型GCr15并保证模具寿命；2）如何成型齿形。二.内圈概述2.1 内圈结构介绍图2.1 内圈产品尺寸图内圈可分

3、为两部分：1）齿形，齿形又细分为长齿和短齿；2）球部。锻件主要技术要求：齿形大径16.5（0/-0.2） 齿形小径13（0/-0.2） 3配合销跨棒距19.335（-0.26/-0.46） 球部直径S22.5±0.2 外观无伤、锈、毛刺、缺料等缺陷（见图2.1）。客户要求：1）锻件满足图纸要求，全尺寸合格；2）齿形处不予许有明显叠层、次生带、凹陷等。2.2 内圈制造工序暂定的内圈制造工艺为：下料-退火-磷皂化-锻一-退火-磷皂化-锻二，锻一主要锻造齿形，锻二墩粗球部。2.3 工艺难点难点在于齿形成型无叠层。原工艺锻一齿形等高，下端60°面一起成型（见图2.2），锻二墩粗，并

4、将短齿部分反挤一部分。实际效果是锻一时小径处不贴膜，锻二反挤短齿时小径受短齿处材料影响贴膜度更差（见图2.3）。小径处形成凹坑相差0.2mm，因锻一和锻二模具制造误差存在，两序模具衔接时小径处存在间隙，凹陷被放大稍许。下端60°面 图2.2 锻一CG图 图2.3 锻件实际效果图因客户要求齿形不允许有叠层，则齿形需要在一个工位内一次成型并且无明显叠层、凹陷等，否则后续工位便会形成次生带。理想工艺应为:齿形在墩粗球部前就已大致成型，除大径的主要参数都已符合客户图纸要求，墩粗球部时只墩粗齿形大径，其余不参与成型，齿形型腔只起支撑作用。对理想工艺进行CAE模拟，着重分析齿形部位成型。长短齿形

5、随60°倒角面（见图2.4）一起成型分析（见图2.5），图2.5贴膜度颜色显示中，颜色从蓝至红表示不贴膜的严重程度，蓝色为完全贴膜，红色代表锻件与模具间隙达到0.123mm。从图中得知短齿成型后成型60°倒角面时锻件小径与凹模小径处存在单边0.02mm间隙，但无明显台阶和凹坑。 图2.4 终锻件CG图 图2.5 短齿成型贴膜度分析从图2.6得知，短齿完全成型后，材料在60°面处受墩后，流动方向由竖直向下运动改为顺着60°面和齿面方向流动，小径处材料如图2.6所示变更为向芯部流动，此时小径已呈现出不贴膜趋势。 图2.6 短齿成型后材料流动方向短齿成型后长齿

6、大径处不贴膜，当长齿抵达60°面时，长齿受墩，大径渐渐饱满，同时小径开始塌陷形成凹坑。凹坑随材料向下运动逐渐加大至出现小径上圆台后，凹坑最大到达约单边0.1mm（图2.7）。此时小径处材料流动复杂，直接受两处60°面影响，小径材料向芯部流动，形成两处凹坑。研究方向转变为如何让小径贴膜。图2.7 长齿成型后小径贴膜度与材料流动三. 工艺实验3.1 工艺方案方案1）：锻一成型8个长短齿（见图3.1）；锻二成型球体部分（见图3.2）。锻一外径为16.3，锻二外径为16.4。锻一小径12.8，锻二小径12.9。 图3.1 锻一CG图 图3.2 锻二CG图实验结果：齿面贴膜，小径仍有

7、较大一块区域不贴膜。小径直径为16.72。 图3.3 不贴膜效果图方案2）：方案1）改进，锻一仍成型8个长短齿，齿根圆角加大至R1（如图3.3），其余部分不变；锻二成型球体部分。 图3.4 圆角增大CG图实验结果：结果与方案1）相近，齿面贴膜，小径仍有较大一块区域不贴膜。小径由原来16.72变为16.68。方案3）：方案1）改进，锻一仍成型8个长短齿，与方案1）所不同的是齿形部位上部做避让：单边收缩0.05mm（见图3.5）；锻二仍成型球体部分。 图3.5 0.05mm避让CG效果实验结果：结果与方案1）相近，齿面贴膜，小径仍有较大一块区域不贴膜。与方案1）不同的是贴膜处的小径小0.1mm，测

8、量出的小径落差在0.05mm。方案4）：方案3）改进，锻一仍成型8个长短齿，齿形部位上部做单边收缩0.05mm后小径单边放大0.1mm，等效避让0.15mm（见图3.6）；锻二成型球体部分。 图3.6 0.15mm避让CG效果 实验结果：小径与短齿上端小径处有少许接痕（约0.03mm），小径根部不贴膜有凹陷。外观较差，叠层因模具衔接产生，暂时无法消除（见图3.7） 。 图3.7 避让0.15mm实际效果方案5）：锻一成型4个短齿；锻二成型成型8个长短齿；锻三成型球体部分。 图3.8 材料分配方案CG图实验结果：模具出错，二工位模具做短，三工位继续成型齿形形成新生带。模具衔接时二三工位相差距离直

9、接体现在锻件上（见图3.9）。而实际的小径落差为双边0.03mm，材料分配实为有效解决齿形小径不贴膜的方式之一。图3.9 材料分配实际效果图方案6）：方案4）改进，锻一成型4短齿；锻二成型球体部分。省去中间成型长短齿工序（见图3.10），各工序模具尺寸调整为锻一外径为16.3，锻二外径为16.4。锻一小径12.8，锻二小径12.9。 图3.10 方案6）CG图 实验结果：处顶部与小径产生接痕，大径尖端有塌陷外无其他明显缺陷（见图3.11）。长齿大径顶端有塌角，单边0.020.04mm少许接痕，约0.01mm 图3.11 实际效果图 方案7）：方案6）改进，锻一预镦；锻二成型成型4短齿；锻三成型

10、球体部分。与方案6）相比增加预镦工序。为防止出现较大塌角，各工序模具尺寸调整为锻一外径为16.3，锻二外径为16.4，锻三外径为16.4。锻二小径12.88，锻三小径12.88，锻三齿面相比锻二齿面大0.015mm。 图3.12 方案6）改进CG图实验结果：外径拉毛；齿形错位（见图3.13）。原因为：材料硬，二工位锻件涨形至大径超过三工位凹模大径，二工位锻件无法放入三工位模具。 图3.13 实际效果图方案8）：方案7）改进，锻一预镦；锻二成型成型4短齿，大径与方案7）相比单边缩小0.075mm；锻三成型球体部分（见图3.14）并将锻三模具芯更换材料为硬质合金。锻二与锻三工序间一定要做完全退火工

11、艺。 图3.14 方案8）CG图实验结果：齿面处有少许刮料，对尺寸无影响为锻二模具和锻三模具衔接不当；长齿尖部塌陷；大径面无拉毛。无其余缺陷（见图3.15）。图3.15 方案8）实际效果图结论：1）圆角越小越易贴膜，材料贴膜程度与材料流速无关。 2）不贴膜因素需要在齿形成型前完成成型，才不会影响后续主体部分成型。3.2 附加问题用7）号方案锻造时，锻件表面有拉毛，齿面有压痕。原因分析：防止齿表面有较大接痕，二工位模具与三工位模具大小径尺寸相等，齿面处三工位模具比二工位模具单边大0.015mm。因所有模具芯子都为SKH51材料制作，材料相对较硬，二工位锻件成型后涨形单边0.07mm0.1mm，至

12、二工位锻件无法放入三工位模具。锻件对位不准而且没有定位，二工位锻件长短齿与凹模长短齿错位，在三工位锻件齿面产生压痕。解决方案：模具齿形变位系数不变，二工位模具大径缩小至16.26，锻件大径为16.34左右，可轻松放入三工位凹模并靠长短齿本身可靠定位。结论：每次模具衔接时单边控制为0.060.08mm，锻件能有效定位并且表面无锻三墩粗后形成的次生带。这些模具衔接的数据仅适用于模芯为SKH51材料的模具并且锻坯材料为GCr15。3.3 数据总结一工位模具大径/锻件大径一工位模具小径/锻件小径模具变位系数二工位模具大径/锻件大径二工位模具小径/锻件小径模具变位系数/锻件公法线三工位模具大径/锻件大径

13、三工位模具小径/锻件小径模具变位系数/锻件公法线方案1)16.312.80.716.412.90.782/结果16.3416.3912.7112.81/16.4416.4912.913.023跨棒距19.031方案2）16.312.80.716.412.90.782/结果16.3416.3912.6812.80/方案3）16.312.80.716.412.90.782/结果16.3416.3912.7112.80/16.4416.4912.7313.023跨棒距19.031方案4）16.312.80.716.412.90.782/结果16.3216.3812.7812.81/方案5）16.31

14、2.80.616.3812.80.616.412.880.7结果16.3316.3712.83/16.3416.4412.6912.72/16.4216.4712.84、12.87跨两齿距8.4158.43方案6）16.312.80.616.412.880.7/结果16.3316.3712.83/16.4316.4912.91跨两齿距8.4158.43方案7）16.312.86/16.412.880.616.412.880.62结果16.216.3812.8616.4816.5012.8412.87/16.4116.4612.88跨两齿距8.33方案8）16.312.86/16.2512.880.616.4（合金模）12.88（合金模）0.62结果16.3812.8316.3316.3412.88/16.4016.4412.8412.85跨两齿距8.29，3跨棒距18.9