文／王东亚，马臣，杨成忠，陈登鹤·一汽锻造（吉林）有限公司
齿圈是扁薄类锻件的典型代表之一，具有外径大、厚度小、内孔大的特点，在锻造成形过程中易在内孔位置形成折叠等锻造缺陷。图1为我司开发设计的某齿圈毛坯示意图，齿圈锻件外径为φ200mm，总厚度尺寸为32mm，内孔尺寸为φ100.5mm。针对此类直径大，厚度小的扁薄类锻件，为保证成形过程的稳定性，大多采用镦粗→预锻→终锻→冲孔四工步成形的方式生产。如图2所示，成形工步采用外圆定位，保证各工位传递的稳定性，预锻工步设计起到合理地分配坯料各部分金属体积的作用，利于金属充填模膛，同时减少终锻模膛的磨损。
图1 某变速箱齿圈毛坯示意图
图2 四工步成形示意图
在实际生产中，随着需求量的增加，对生产效率有了更高的要求。考虑齿圈锻件结构特点，采用减少成形工步的方式，设计为镦粗→终锻→冲孔三工步闭式锻造成形工艺来满足生产效率的提升，同时需保证锻件的成形质量。针对该齿圈锻件设计的三工步成形工艺如图3所示，镦粗工位设计定位台用于锻件在终锻模膛中定位，保证成形质量。
图3 三工步成形示意图
采用三工步工艺实际锻造过程中，发现锻打过程中存在一定比例的裂纹缺陷，锻件探伤结果如图4所示，采用磁粉和着色探伤方式，发现在内孔位置有一条沿圆周方向的连续线形缺陷，经过加工验证，裂纹延伸到锻件内部2mm～4mm，严重影响锻件产品后续加工质量。
图4 探伤缺陷位置
在缺陷位置取样分析裂纹类型，从图5中可以看出，在裂纹位置发现存在氧化皮，判定为在锻打过程中，坯料流动时，上、下位置存在回流，在内孔处形成折叠缺陷，排除由原材料原始裂纹引起的裂纹扩展。
图5 裂纹形貌
此方案采用常规件的经验进行设计，终锻工位锻件尺寸设计如图6所示，下模匹配成形镦粗定位尺寸设计，定位位置厚度为3mm。
图6 终锻工步件
针对锻打过程中产生的问题，利用Forge有限元仿真软件进行模拟分析，模拟结果如下。终锻成形时，镦粗后的坯料通过模具中心凹槽进行定位，坯料除定位凸台外，还需考虑平模结构，采用简单结构利于坯料流动。成形初期，坯料横向变形剧烈，宽度方向变形量远大于高度方向变形量，随着模具下行，坯料首先与侧壁接触，而后充填内型腔，最后充填外法兰区。依据整个模拟成形过程，坯料流动趋势符合成形需求。观察内孔位置坯料流动规律，圆角区两侧金属先与模具接触，最终汇集在圆角处，通过对该处折叠趋势的有限元分析可知，坯料在终锻成形过程中没有产生折叠(图7)。
图7 成形过程接触状态
为进一步研究内孔折纹产生原因，对生产过程进行分析。坯料使用中频加热炉加热，中频加热炉具有加热速度快、生产效率高、氧化脱碳少等突出特点，适合大批量生产，但是受材料成分、加热参数影响，加之坯料加热后存在温差，坯料初始温度存在波动；坯料在成形工位之间转运时，虽然模具上存在定位结构，坯料摆放仍可能出现摆偏。以上因素会导致锻件在内孔位置存在折叠缺陷。
考虑到生产实际中的诸多因素，进一步优化模具结构来解决内孔折纹问题。成形过程模拟结果如图8所示，随着成形过程的进行，先完成内孔圆角区充满，随后与模具侧壁进行接触，最终完成锻件充满。相较于原有结构，内孔圆角区先完成充填时，坯料与模具侧壁尚未接触，一定程度上减少接触侧壁后坯料回流量，避免在内孔圆角上平面坯料形成涡流并产生折纹。
图8 优化后成形过程模拟结果
在实际生产中，上述观点得到验证，同样的生产条件下，锻件检测未发现折叠等锻造缺陷，成形质量良好。优化后终锻件结构如图9所示，通过改善坯料流动趋势，内孔上模角度增大到150°，过渡圆角设计为R20mm，增加少量的坯料实现锻件的快速、优质成形。
图9 优化后终锻工步件
本文通过对齿圈类锻件成形工艺的优化设计，通过仿真分析与实际生产验证，得到以下结论：
⑴根据锻件实际生产需求，匹配提升生产效率的工艺需要考虑综合因素，工艺性与生产实际相结合；
⑵齿圈类锻件内孔区易产生折叠缺陷，预锻设计要充分考虑坯料流动规律，并为生产过程留有相应的调整量；
⑶此齿圈锻件模具设计为相似件提供了一定的参考，可依据锻件结构特点适当优化。
——文章选自《锻造与冲压》2022年第11期
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