带台阶深孔太阳轮锻件模具设计的改进

huahua

图1为陕西法士特齿轮有限责任公司生产的某太阳轮零件产品示意图，该零件高度较大，超过100mm，同时在零件下端面内侧，存在一个小台阶，台阶直径为φ102mm，深8.3mm，这些特点对毛坯锻造时金属流动成形增加了一定难度。

工艺设计与生产

[size=0.8em]图1 太阳轮产品示意图

[size=1em]由于零件厚度较大，该类锻件在生产时采用锤上模锻。模锻锤可在较大的范围内调节锤头的行程和打击速度，在模膛里可进行多次打击，得到较大的变形量。由于模锻锤的冲击作用，金属在模膛中的充满优于压力机上模锻，可以保证深型腔零件的充满性。同时，考虑到台阶处金属填充性，将下端面内侧台阶处设计为一个圆角过渡，以利于金属流动和填充。设计的锻件毛坯图如图2所示，在锻件毛坯图基础上考虑热胀量1.5%，即冷锻件整体尺寸乘以101.5%，获得热锻件图如图3所示。

[size=1em]从图2和图3可以看出，锻件下端面内侧台阶处并未设计出台阶，而是设计为R12的圆角，设计的本意为有利于金属填充该台阶处位置。热锻件连皮厚度设计与热锻件上模具凸台高度及上模内孔直径有关联，凸台高度和内孔直径（图3上模凸台高度为66.3mm，内孔直径为φ73.1mm）越大，连皮厚度越厚。兼顾考虑上模凸台部分的寿命，设计连皮厚度为20mm，连皮设计过薄，上模模具凸出部分容易打塌和变形，太阳轮型腔模具装配图如图4所示。

[size=0.8em]图2 太阳轮锻件毛坯图

[size=0.8em]图3 太阳轮热锻件图

[size=0.8em]图4 太阳轮模具型腔装配图

[size=1em]该锻件设计为闭式锤上锻造，锤上锻造完毕后需要冲孔，图5为冲孔模装配图。

[size=1em]利用图4和图5模具进行生产，生产出的锻件如图6所示。

[size=0.8em]图5 冲孔模装配图

[size=0.8em]图6 太阳轮锻件

[size=1em]从图6中可以看出，冲孔后太阳轮锻件内孔毛刺过长，而机加工需要以毛刺这面的端面进行夹爪定位，过长的毛刺影响后续机加工定位。因此，需要增加一道车内孔去毛刺工序，这样不仅提高了生产成本，还降低了生产效率。

原因分析及改善措施

[size=1em]为了减少冲孔毛刺过长的现象，需分析产生毛刺的原因。冲头和冲孔凹模刃口之间的间隙对毛刺的长短有影响。冲头与凹模刃口间隙不能过大，否则金属在最终冲断时容易形成过长的毛刺。开始使用的冲头直径为φ68.5mm，冲孔凹模刃口直径为φ71mm，单边间隙为1.25mm，最终形成了长毛刺。随后选用冲头直径为φ69mm，冲孔凹模刃口直径仍为φ71mm，单边间隙缩小为1.0mm，冲孔拉毛刺程度有所改善，如图7所示。

[size=0.8em]图7 调整冲头与冲孔凹模间隙后的太阳轮锻件

[size=1em]从图7中可以看出，毛刺长度较之图6要缩短，但毛刺仍然存在，没有达到最理想的效果，对后续机加工定位不利影响没有彻底消除。同时冲头与冲孔凹模之间的间隙不能继续缩小，过小的间隙增加模具之间相互磕碰的几率，容易造成模具的损坏。因此，需要寻找一个更加合理的改善措施，以确保不影响后续机加工的装夹定位。

[size=1em]在太阳轮零件最初模具设计时，锻件下端面的小台阶没有设计出来，主要是为保证金属的有效流动和填充。然而，冲孔拉毛刺现象表明这种设计是不成功的。因此，可以尝试设计出锻件下端面的小台阶，这样在理论上可以保证即便出现冲孔毛刺，也不会影响到机加工定位。基于这种考虑设计出改善后的太阳轮锻件毛坯图和热锻件图，如图8和图9所示。

[size=1em]设计出下端面台阶后，冲孔凹模也相应做出调整，图10中改善后的冲孔凹模相应的增加了个小凸台，用于冲孔时热锻件的定位。这样在冲孔时，毛刺距离下端面的距离也相应增加，从而不影响后续机加工定位。

[size=0.8em]图8 改善设计的太阳轮锻件毛坯图

[size=0.8em]图9 改善设计的太阳轮热锻件图

[size=0.8em]图10 改善后的冲孔模装配图

[size=1em]另外一方面，与图3中R12的圆角对比，图9中改善后的热锻件内侧下端面台阶处采用较小的拔模角，分别采用了10°和5°的拔模角，并以R10圆角和R5圆角过渡。较小的拔模角，在冲孔时不会带动过多的金属进行剪切塑性变形，有利于减少冲孔毛刺，而R10和R5的圆角过渡又保证了金属的流动性和填充性，达到既减少毛刺又保证模具型腔充满的良好效果。同时，由于台阶的设计，减少了工艺用料，图2设计的太阳轮锻件重量为13.83kg，改善后（图8）的太阳轮锻件重量为13.65kg，减少工艺用料0.17kg。同时后续机加工车间在加工时也减少了加工量，设计节省了生产成本，图11为改善设计后生产的太阳轮锻件，从图中可以看出，锻件冲孔后几乎没有毛刺，同时锻件充满良好，不存在未充满现象，充分验证了改善措施的有效性。

结论

[size=1em]⑴该类锻件厚度大，端面有台阶，工艺设计简化处理台阶处为圆角，冲孔时容易拉较长毛刺，不利于后续机加工装夹定位。

[size=1em]⑵针对该类锻件设计出端面台阶，减少了冲孔拉毛刺现象，方便后续机加工定位。

[size=0.8em]图11 改善设计后生产的太阳轮锻件

[size=1em]⑶锻件端面台阶的设计，减少了工艺用料和机加工时加工量，节省了生产成本。

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感谢huahua的精辟论证，从设计的各个细节细述了模具的各部位设计要点。好文！