一種高速鍛薄壁產(chǎn)品變形問題的優(yōu)化方案

近年來隨著汽車輕量化的要求越來越高，汽車零部件對(duì)重量的控制也越來越嚴(yán)，特別是汽車變速箱中的齒輪隨著市場(chǎng)的變化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變的越來越薄，而對(duì)于這些薄壁的齒輪因其需求量特別大，因此就需要采用節(jié)拍快、生產(chǎn)效率高、尺寸精度高、材料消耗低的高速鍛機(jī)來快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求。但產(chǎn)品壁厚變薄后會(huì)給高速鍛造工藝帶來一些新的技術(shù)挑戰(zhàn)和難題，如最常見的產(chǎn)品法蘭連接處變形，一旦出現(xiàn)產(chǎn)品變形，則無法滿足客戶對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的要求，而且也往往會(huì)因?yàn)閭魉头€(wěn)定性問題導(dǎo)致高速鍛造生產(chǎn)線無法連續(xù)生產(chǎn)。所以如何解決薄壁產(chǎn)品法蘭連接處變形問題，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，成為了我們高速鍛工藝開發(fā)人員必須攻克的難關(guān)。圖1～3為常規(guī)頂出方案工藝及產(chǎn)品。

圖1 采用常規(guī)頂出方案易變形的典型產(chǎn)品及工藝

圖2 其他易變形產(chǎn)品

圖3 變形后產(chǎn)品
 

薄壁齒坯變形原因分析
 

解決薄壁齒坯產(chǎn)品在高速鍛造中出現(xiàn)的變形問題，首先需要分析引起產(chǎn)品變形的原因，這樣才能確保準(zhǔn)確、快速的解決問題。經(jīng)過分析，目前引起產(chǎn)品在高速鍛造過程中變形的原因（圖4）主要是以下三種情況，第一種是頂出阻力過大，主要是由于預(yù)成形設(shè)計(jì)的不合理引起產(chǎn)品在成形過程中受應(yīng)力過大，不合理的模具設(shè)計(jì)包括模具表面粗糙度高、拔模角度設(shè)計(jì)不合理等。第二種是產(chǎn)品法蘭連接處壁厚太薄強(qiáng)度不足，包括產(chǎn)品有效壁厚尺寸太小、材料強(qiáng)度低等。第三種是受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響，起頂出功能的頂桿與產(chǎn)品的接觸面積相對(duì)于產(chǎn)品的橫截面較小，導(dǎo)致頂出過程中法蘭連接處強(qiáng)度不足，引起產(chǎn)品變形。實(shí)際工作中針對(duì)前兩種原因，無論是我們對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化還是調(diào)整模具的過盈量，都只能解決部分產(chǎn)品的問題，因此我們分析得出，若想能夠真正徹底解決上述問題，還是需要針對(duì)第三種情況尋找突破點(diǎn)。

圖4 薄壁齒坯變形原因分析
 

常規(guī)模具頂出方式
 

常規(guī)的設(shè)計(jì)是產(chǎn)品在高速鍛造后脫模采用頂桿頂出，即采用通過局部頂出的方式脫模(圖5)。在這種情況下，產(chǎn)品在頂桿接觸面位置輸出的頂出力，在外徑處形成一個(gè)扭力力矩，而且這個(gè)力矩受頂桿直徑和產(chǎn)品直徑的影響，當(dāng)該力矩超出薄壁處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)品就會(huì)產(chǎn)生扭曲變形，嚴(yán)重的甚至可能導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

圖5 常規(guī)模具頂出機(jī)構(gòu)

01-凹模1 02-凹模2 03-凹模墊塊1 04-凹模墊塊2 05-頂出KO
 

改進(jìn)后模具頂出方式
 

針對(duì)常規(guī)模具頂出方式的弊端，我們的改進(jìn)思路是改變頂出方式，由原來的局部頂出脫模方式改進(jìn)為產(chǎn)品整體頂出脫模方式，改進(jìn)后的頂出方式由于幾乎消除了力臂，所以大大減小了頂出過程的扭曲力矩，進(jìn)而杜絕了產(chǎn)品變形現(xiàn)象的發(fā)生。

頂出方式改進(jìn)后，產(chǎn)品在頂出過程中除了受頂桿的頂出力以外，在產(chǎn)品與02號(hào)后凹模的整個(gè)接觸面上還要受到02號(hào)后凹模內(nèi)彈簧提供的頂出力，這樣就確保了頂出過程中產(chǎn)品整體受力，避免了扭曲力矩產(chǎn)生。圖6中圖形分別展示了頂出過程開始時(shí)和頂出過程結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。

圖6 改進(jìn)后頂出機(jī)構(gòu)

01-凹模1 02-凹模2 03-凹模襯套 04-頂出彈簧05-凹模墊塊1 06-彈簧墊塊 07-彈簧墊塊2 08-頂出KO 09-沖頭1 10-沖頭2 11-產(chǎn)品
 

在產(chǎn)品成形過程中，凹模2（編號(hào)02）在8個(gè)矩形彈簧（編號(hào)04）的彈性力作用下開始?jí)嚎s一定距離，頂出桿（編號(hào)08）開始后退至簡圖上半部分所示位置；當(dāng)產(chǎn)品在成形后沖頭后退過程中，頂出桿（編號(hào)08）和8個(gè)矩形彈簧一起輸出頂出力，將產(chǎn)品整體向前推，直至產(chǎn)品脫離凹模1達(dá)到規(guī)定脫模距離，由于新結(jié)構(gòu)部分使得頂出力的力臂大大縮短了，產(chǎn)品脫模過程中受到的力矩大幅度減小，從而在頂出過程中產(chǎn)品能夠順利脫模，繼而避免了薄壁齒坯法蘭變形的情況。
 

總結(jié)

該解決方案通過增加彈性頂出機(jī)構(gòu)，增加了薄壁產(chǎn)品頂出面積，降低了因產(chǎn)品特殊結(jié)構(gòu)帶來的頂出過程產(chǎn)生的力矩，很好的解決了薄壁產(chǎn)品在頂出過程中容易產(chǎn)生變形的問題，且與其他改進(jìn)方案相比該結(jié)構(gòu)受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度和其他限制較小，對(duì)薄壁類產(chǎn)品具有一定的普適性。目前該方案已在我公司多條高速鍛造生產(chǎn)線上推廣使用，并且取得了很好的應(yīng)用效果，此次改進(jìn)方案的實(shí)施，使我公司產(chǎn)品質(zhì)量得到了提升，同時(shí)適應(yīng)了市場(chǎng)的發(fā)展需求。

——本文節(jié)選自《鍛造與沖壓》2019年第5期。