文／王浩，馬歡，徐翠娟·徐州九鼎鍛造科技有限公司

大型齒輪座圈的輾軋成形技術(shù)研究

文／王浩，馬歡，徐翠娟·徐州九鼎鍛造科技有限公司

王浩，技術(shù)部部長(zhǎng)，主要從事大型、異形輾環(huán)件的開發(fā)工作，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持完成了徐州市科技計(jì)劃項(xiàng)目《大型風(fēng)電法蘭數(shù)控輾環(huán)機(jī)高效節(jié)能精輾成形新工藝研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》，擁有兩項(xiàng)發(fā)明專利。

工程機(jī)械、化工機(jī)械、礦山機(jī)械上的大型齒輪座圈(φ800mm～φ1800mm)，目前多數(shù)采用鋼板下料拼接制造的生產(chǎn)方式，本文通過齒輪座圈在輾軋過程中的塑性變形規(guī)律分析，總結(jié)了其原理和變形特點(diǎn)，成功開發(fā)出了大型齒輪座圈異形環(huán)件的輾軋成形技術(shù)，達(dá)到了節(jié)材節(jié)能、高效生產(chǎn)的目的。

目前在工程機(jī)械、化工機(jī)械、礦山機(jī)械等行業(yè)設(shè)備所應(yīng)用的齒輪座圈數(shù)量較大，年用量甚至達(dá)10萬(wàn)套，多數(shù)為鋼板焊接件(圖1），尺寸從φ800mm～φ1800mm不等。隨著設(shè)備性能的提升，體積小型化、能力大型化的苛刻要求，焊接件已漸漸無(wú)法滿足設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，目前很多廠家均規(guī)定齒輪座圈改為鍛件，例如卡特彼勒有限公司、徐工集團(tuán)徐工建設(shè)機(jī)械分公司、中聯(lián)重科、江蘇國(guó)潤(rùn)機(jī)械制造有限公司等，我公司與有關(guān)院校合作，成功開發(fā)出了用輾環(huán)機(jī)生產(chǎn)齒輪座圈鍛件的近凈成形技術(shù)。

圖1 挖掘機(jī)底座齒輪座圈焊接件

工藝對(duì)比分析

卡特彼勒有限公司小型挖掘機(jī)底座齒輪座圈(圖2）直徑為φ986mm，原采用焊接件，國(guó)內(nèi)多數(shù)廠家的制造工藝為鋼板下料，φ986mm法蘭部分分3～4部分切割下料，φ844mm頸部用鋼板卷成筒形對(duì)焊，然后對(duì)焊接部件進(jìn)行整形后，把頸部與法蘭部分對(duì)接，沿著圓周方向進(jìn)行多道次焊接，此工藝不僅需要較長(zhǎng)的工序鏈和較多的下料設(shè)備、卷筒設(shè)備、焊接設(shè)備、整形設(shè)備等，而且材料利用率只有30%～50%，生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；而輾軋工藝過程采用煤氣發(fā)生爐加熱、50000kN快速鍛造油壓機(jī)模鍛制坯、D52-2000輾環(huán)機(jī)一次精輾成形，座圈由鋼板焊接件改為鍛件，本身具備了鍛件的優(yōu)良性能，同時(shí)，工藝采用異形輾軋技術(shù)，達(dá)到了后續(xù)少無(wú)切削，最大限度地保持了鍛造組織的纖維流向，防止了機(jī)械加工帶來(lái)的應(yīng)力集中點(diǎn)，同時(shí)縮短了生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)效率，提高了材料利用率，減少了設(shè)備投入、人員投入，工序數(shù)大大減少，最關(guān)鍵的是能滿足設(shè)備重型化、大型化對(duì)座圈的性能要求。

采取輾軋工藝生產(chǎn)的齒輪座圈鍛件類似于高頸法蘭(用于塔筒連接及壓力容器連接等的連接法蘭），高頸法蘭零件頸部與法蘭部分的分料重量比值大概為1∶3，在軋制過程中，主要對(duì)法蘭部位進(jìn)行成形，法蘭寬度與厚度的比值在2.5左右，而齒輪座圈頸部與法蘭部分的分料重量比值大概為1∶1，法蘭寬度與厚度的比值在2.9左右，所以在輾軋塑性變形過程中齒輪座圈的軋制難度相對(duì)于高頸法蘭零件來(lái)說要更為大一些，而且齒輪座圈的直徑尺寸一般都比較大，擴(kuò)徑量較大，所以在輾軋過程中缺陷的控制也較為困難。目前大連、山西等地區(qū)的部分工廠在鍛造高頸法蘭方面技術(shù)已較為成熟，但是在齒輪座圈的輾軋方面卻始終存在較多的問題有待解決。

圖2 卡特彼勒有限公司小型挖掘機(jī)底座齒輪座圈

齒輪座圈變形特點(diǎn)分析

現(xiàn)選用卡特彼勒有限公司小型挖掘機(jī)底座齒輪座圈為研究對(duì)象，型號(hào)為XE160C.01.1-1，如圖2所示，法蘭盤寬度為(986-800）/2＝93mm，厚度為32mm，重量為94.34kg，頸部重量為91.75kg(輾環(huán)件的單邊余量為4.5mm），壁厚為22mm，法蘭盤的寬度93mm與頸部壁厚22mm的比值懸殊，圓柱體棒料在模具內(nèi)通過50000kN快速鍛造油壓機(jī)模鍛成形后，法蘭盤寬度與厚度的比值達(dá)到4.09，輾擴(kuò)比達(dá)到2.4，根據(jù)鐓粗定律，軋制出如圖2所示尺寸形狀的齒輪座圈鍛件，在輾軋的過程中無(wú)論輾軋力是否達(dá)到或者超過臨界軋制力，法蘭端面均會(huì)產(chǎn)生凹槽(如圖3所示，即內(nèi)徑和外徑部位的寬度增加，在環(huán)形件的上下端面形成環(huán)形凹槽），壓力無(wú)法透入橫截面心部，根據(jù)最小阻應(yīng)力定律，在后續(xù)輾擴(kuò)的過程中，凹槽會(huì)逐漸嚴(yán)重，最終造成余量不足。所以，在工藝研究過程中不僅對(duì)預(yù)鍛制坯過程的分料要求較為嚴(yán)格，同時(shí)對(duì)模具結(jié)構(gòu)、軋制溫度、軋制道次等也均有較高的要求。

圖3 法蘭端面出現(xiàn)凹槽

輾軋工藝研制情況

預(yù)鍛件圖的設(shè)計(jì)

根據(jù)終鍛件圖的體積分配，遵循最小阻應(yīng)力定律，預(yù)鍛件圖的設(shè)計(jì)原則為頸部與法蘭盤部的體積之比為1∶1。由于此環(huán)件法蘭盤部寬度與厚度比值較大，并且輾擴(kuò)比較大，所以為滿足鐓粗定律與最小阻應(yīng)力定律，預(yù)鍛件形狀在某些部位應(yīng)加以改變，用錐形沖頭沖出毛坯上端的錐形結(jié)構(gòu)，主要是為了把體積稍多地分配到法蘭部位，主要的變形區(qū)域集中在法蘭部位，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果，在輾軋過程中會(huì)出現(xiàn)軸向走料的情況；錐形底部豎直面的尺寸為45mm，不能低于法蘭厚度的42mm，否則會(huì)造成軋制不穩(wěn)定，軋制時(shí)坯料翹曲，也不能太過大于42mm，否則起不到分配體積的作用。

預(yù)成形件在50000kN油壓機(jī)上用模具壓制外形后出模，沖φ260mm的孔，然后再用錐形沖頭沖出上口錐形，最終形狀如圖4所示。

圖4 50000kN油壓機(jī)預(yù)鍛成形圖

輾環(huán)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于采用徑向輾環(huán)機(jī)，沒有軸向軋制，所以在輾軋過程中應(yīng)盡量地使整個(gè)成形過程在封閉的型腔內(nèi)部進(jìn)行。遵循模具設(shè)計(jì)的一般原則，根據(jù)模擬結(jié)果及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，上壓蓋的尺寸應(yīng)滿足輾軋結(jié)束后上壓蓋應(yīng)蓋住芯輥的上端面20mm左右，使成形的后半階段在芯輥、上壓蓋、輾輪、下托板組成的封閉型腔內(nèi)成形，否則會(huì)造成外徑端面處出現(xiàn)毛刺，容易產(chǎn)生折疊；輾軋過程中法蘭部位的坯料會(huì)不同程度地沿軸向向上流動(dòng)，造成法蘭部位體積不足，故輾輪的外圓面設(shè)計(jì)7°的斜度，主要防止在輾軋過程中坯料向上流動(dòng)嚴(yán)重而造成法蘭部位體積不足，同時(shí)有利于材料向法蘭部位填充；各個(gè)臺(tái)階處均設(shè)計(jì)為圓角過渡，便于材料流動(dòng)。輾環(huán)機(jī)精軋模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

Simufact.forming軟件仿真模擬結(jié)果

德國(guó)Simufact工程公司開發(fā)的Simufact.forming軟件針對(duì)環(huán)軋工藝的特點(diǎn)，開發(fā)了環(huán)軋?jiān)O(shè)備庫(kù)，專門針對(duì)環(huán)軋進(jìn)行模擬設(shè)置，較為準(zhǔn)確方便。以下是本工藝在模擬過程中的部分參數(shù)設(shè)置：輾輪直徑φ770mm/φ630mm，芯輥直徑φ260mm，徑向軋制速度1mm/s，精整時(shí)間10～20s，模具溫度150℃，坯料溫度1150℃，主軋輥轉(zhuǎn)速28r/min，摩擦因子0.85，計(jì)算步數(shù)3000步。仿真模擬結(jié)果如圖6、7所示，通過仿真模擬結(jié)果可以總結(jié)出模具及軋制參數(shù)方面需要調(diào)節(jié)的環(huán)節(jié)，并且確定了工藝的可行性，能軋制出較為理想形狀尺寸的齒輪座圈，為后續(xù)的工藝路線調(diào)整及模具加工提供了參考依據(jù)。

樣品試制情況

初步的工藝設(shè)計(jì)及仿真模擬結(jié)果證明了工藝的可行性及正確性，根據(jù)工藝先期試制了6件坯料，在不同的參數(shù)下進(jìn)行了試驗(yàn)，不同坯料的軋制參數(shù)見表1。在6件試驗(yàn)品軋制過程中，軋制溫度是現(xiàn)場(chǎng)用紅外線測(cè)溫儀測(cè)得的，測(cè)點(diǎn)均為同部位3次測(cè)得平均值；軋制時(shí)間主要是指主軋階段的時(shí)間，精整時(shí)間一般為10～20s。

在以上試驗(yàn)條件下，6件試驗(yàn)產(chǎn)品的情況見表2。

以上數(shù)據(jù)為冷態(tài)下進(jìn)行測(cè)量并且在后續(xù)機(jī)加工過程中記錄所得，2號(hào)、5號(hào)試件由于凹槽深度太深，在高度方向尺寸的加工余量范圍內(nèi)沒有加工掉凹槽，不能滿足成品的尺寸要求。試制產(chǎn)品出現(xiàn)凹槽的情況如圖8所示。

圖5 輾環(huán)機(jī)精軋模具結(jié)構(gòu)圖

圖6 仿真模擬前處理階段

圖7 仿真模擬后處理階段

主要技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)總結(jié)

以上試驗(yàn)結(jié)果證明，在軋制過程中最合適的兩組參數(shù)組合是1號(hào)、4號(hào)。由于溫度高不僅浪費(fèi)能源，并且氧化嚴(yán)重，影響材料利用率的提高，故生產(chǎn)中采用1100℃的初軋溫度，并且將進(jìn)一步進(jìn)行降溫試驗(yàn)，找到初軋溫度的極限點(diǎn)，最大限度地降低能耗及氧化現(xiàn)象；在軋制時(shí)間方面重點(diǎn)把控主軋階段的軋制時(shí)間，盡量使軋制力透入齒輪座圈的橫截面中心，使齒輪座圈的塑性變形區(qū)域符合鐓粗定律，不至于出現(xiàn)失穩(wěn)；本次試驗(yàn)的齒輪座圈的擴(kuò)徑量較大，并且法蘭寬度與厚度的比值較為懸殊，在軋制中期進(jìn)行壓機(jī)整形十分必要。綜合以上因素考慮，選取4號(hào)試驗(yàn)品的工藝路線為階段性最佳工藝路線，

■ 表1 試驗(yàn)產(chǎn)品的不同軋制條件

■ 表2 6件試件在上述軋制條件下的試驗(yàn)結(jié)果