飞轮齿圈是发动机上的一个重要零件，辗环是其最理想的成形方法。图1 为我公司研发的一种飞轮齿圈零件，年需求量约8万件，针对传统辗环工艺中的残留毛刺大和圆度超差问题，我们对辗环工艺进行了优化，取得了很好的效果。
图1 飞轮齿圈锻件数模
初始工艺
最初我们采用的是传统的辗环工艺，按照手册设计了锻件图，图2 为锻件尺寸及公差，表1 为锻件质量要求，制订了工艺路线：加热→自由锻制坯（镦粗→冲盲孔→冲连皮）→辗环。整个辗环生产过程基本顺利，但有两个传统辗环工艺的通病一直困扰着我们，残留毛刺大和圆度超差（俗称椭圆）。残留毛刺大，辗环完成后，在端面留有大小不等的残留毛刺（图3）。圆度超差，在辗环完成后，有50% 的锻件存在外形椭圆的问题，严重程度不等。为了满足客户要求，被迫增加了一道粗车工序，去毛刺兼顾修整外圆内孔尺寸。一旦客户需求量大，粗车工序非常影响生产进度，迫切需要改进工艺。
表1 锻件质量特性要求表
壁厚差 | ≤1.5 | 表面缺陷深度 | 不大于实际加工余量的1/2 |
平面度公差 | A、B平面的平面度不大于1 | 未注圆角 | R3 |
残留毛边 | 硬度 | HB=170~210（dB=4.15~4.6） | |
未注拔模角度 | 1° | 热处理方式 | 正火 |
图2 锻件尺寸及公差
图3 锻件残留毛刺大
分析原因
为解决这两个问题，我们组织生产工人和技术人员并结合多年的生产经验，针对飞轮齿圈在辗环过程中出现的质量问题，分析其原因，大致如下。
⑴残留毛刺大的原因。
1) 模具安装不到位。例如托板偏高，造成不靠托板一面残留毛刺大；托板偏低，造成靠托板一面残留毛刺大。
2) 设备间隙大。辗压轮偏摆严重，可能会造成两端均有毛刺挤出。
3) 制坯冲孔不垂直或冲孔偏，造成局部毛刺大。
4) 坯料尺寸不够精密，料偏大，在辗环成形的最后辗出毛刺。
⑵锻件产生椭圆的原因。
1) 模具安装调整不当。例如，辗压轮径向跳动大，会造成椭圆度超差。辗压轮、芯轴、信号轮位置不合适，也会形成椭圆。
2) 操作工经验不足，操作不当。例如压下量偏大，会造成椭圆；还有锻件已经达到要求尺寸了，仍然辗压，也会造成椭圆。
3) 料温偏高，会导致相对压下量增大，形成椭圆。
研究对策，尝试改进
在分析原因后，我们首先对设备进行了大修，调整了设备间隙，确保辗压轮不偏摆，径向跳动满足要求。同时，对员工也进行了培训，强调了操作过程的控制要点以及模具的安装要求等。然而，随后生产出来的锻件，虽然比最初有所好转，仍然有残留毛刺，仍有椭圆件出现，无法从根本上解决。究其原因，应该是模具结构（图4）造成的。芯轴和辗压轮共同构成了模具的型腔，在传统的辗环工艺中，要么型槽完全在辗压轮，要么型槽完全在芯轴，要保证既充满型腔，又不挤出毛刺，对坯料、设备和员工的要求都是精密级的，才有可能保证，显然，目前大部分企业无法实现。
图4 原始模具结构
我们在查阅了大量技术资料后，决定采用一种新型的半精密辗压工艺，来解决上述问题。新的工艺路线：加热→自由锻制坯（镦粗→冲盲孔→冲连皮）→辗环（辗环→去毛刺）→整形。
⑴解决思路。
1) 加热、制坯环节，只要工人熟练、责任心强，应该没问题，不用改进。
2) 辗环这个环节增加一个去毛刺的工步（核心中的核心），将原本的一工步辗环改变为两工步：辗环+ 去毛刺。改变锻件出毛刺的位置，从原来的边缘，移动到中间（图5），使辗环机上切边能将残留毛刺去除干净。可以有效解决锻件的椭圆度超差问题。
图5 改进后的摸具
4) 取消粗车工序。
⑵思路详解。
在这种辗环工艺里面，增加热整形，可以完美解决锻件椭圆的问题，它带来了新的课题，绝对不能有残留毛刺，否则毛刺压入锻件，会形成折叠这种不可接受缺陷。毛刺的去除靠改进模具结构来实现。按照“成形”和“切边”的思路，将芯轴和辗压轮都做了改动。
1) 芯轴由原来的光轴，改变成了两工步，第一工步做出一半型槽，第二工步还是光轴，作为切除毛刺的“冲头”，以达到设计思路。
2) 辗压轮由初始的单型槽，改进成双型槽。第一工步和芯轴的第一工步联合起来，完成锻件的成形工作（最好产生合适的飞边）。第二工步的型槽，其实就相当于常规开式模锻的切边凹模，和芯轴的光轴部分配合，完成“切边”。
新工艺生产调试
增加新设备，制作新模具。首先，在辗环机的旁边安装了新的油压机。其次，按照新设计的图纸制作芯轴、辗压轮以及整形模具。
设备、模具都到位后，再次对员工进行新工艺培训。随后，组织了生产调试，这次调试非常顺利。
⑴辗环环节，非常完美地展示了设计思路，锻件成形充满良好，在锻件的中间，出现了宽度10mm 左右的残留毛刺。
⑵切边工步，非常顺利地将上一工步的毛刺去除干净。
⑶热校正工序，保证了锻件的圆度，达到了改进目标。
加工验证
⑴经过客户加工验证，效果理想，满足客户的加工要求。
⑵在生产组织交付方面，通过取消粗车工序，打通了原来制约生产交付的瓶颈，使生产组织更加顺畅。
工艺升级
在新工艺解决了残留毛刺和椭圆度超差的问题后，我们再次大胆尝试，减小加工余量。过去我们没有热整形，需要考虑在椭圆度比较大的情况下，锻件能够满足下游客户的加工要求，现在，我们的圆度公差既然可以保证，理所当然，锻件的加工余量可以适当减少。我们利用统计分析的方法，找到了改进的空间。首先，统计锻件的外径、内径、厚度尺寸（见表2），数据显示，热整形后内径尺寸一致性非常好，厚度尺寸也不错，可以减小加工余量。
表2 飞轮齿圈锻件尺寸统计（mm）
编号 | 外径1 | 外径2 | 内径1 | 内径1 | 厚度1 | 厚度2 |
要求 | 400±2 | 400±2 | 336±2 | 336±2 | 22±2 | 22±2 |
1 | 400.5 | 400.8 | 337.5 | 337.5 | 20.5 | 20.5 |
2 | 401.5 | 401.7 | 337.4 | 337.4 | 20.2 | 20.2 |
3 | 401.7 | 401.8 | 337.3 | 337.3 | 20.1 | 20.1 |
4 | 400.3 | 400 | 337.3 | 337.3 | 20.8 | 20.8 |
5 | 399.5 | 399.7 | 337.5 | 337.5 | 20 | 20 |
6 | 401.5 | 401.5 | 337.4 | 337.4 | 20.1 | 20.1 |
7 | 399.8 | 399.8 | 337.3 | 337.3 | 20.9 | 20.9 |
8 | 400.5 | 400.3 | 337.5 | 337.5 | 20.6 | 20.6 |
9 | 400.9 | 400.6 | 337.3 | 337.3 | 20.3 | 20.3 |
10 | 399.8 | 400 | 337.4 | 337.4 | 20.1 | 20.1 |
11 | 400.5 | 400.3 | 337.3 | 337.3 | 20.5 | 20.5 |
12 | 400.6 | 400.4 | 337.3 | 337.3 | 20.4 | 20.4 |
13 | 400 | 399.8 | 337.4 | 337.4 | 20.7 | 20.7 |
14 | 400.3 | 400.5 | 337.3 | 337.3 | 20.3 | 20.3 |
15 | 400.1 | 400 | 337.5 | 337.5 | 20.7 | 20.7 |
16 | 399.8 | 400 | 337.4 | 337.4 | 20.1 | 20.1 |
17 | 400.5 | 400.8 | 337.3 | 337.3 | 20.5 | 20.5 |
18 | 400.5 | 400.4 | 337.4 | 337.4 | 20.6 | 20.6 |
19 | 400 | 400.2 | 337.3 | 337.3 | 20.2 | 20.2 |
20 | 400.8 | 400.6 | 337.3 | 337.3 | 20.8 | 20.8 |
21 | 400 | 399.9 | 337.5 | 337.5 | 20.1 | 20.1 |
我们尝试修改了锻件图（图6），然后，相应地修改了模具尺寸，再次组织生产调试。经客户验证，减少余量后的锻件也能够满足客户的加工要求。图7为批量加工的齿圈。
图6 完善后的锻件尺寸及公差
图7 批量生产的齿圈
结论
通过对飞轮齿圈的辗环工艺一再优化升级，最终取得了良好效果。
首先，解决了质量问题，减少了损失；
其次，提升了生产效率，增加了效益；
第三，降低了锻件重量，减少了材料消耗，大幅降低了生产成本；
第四，超出顾客预期，对下游客户来说，既减少了加工工时，又节省了刀具，提高了顾客满意度。
希望这种一举多得的工艺优化升级能给行业同仁们带来借鉴。
——本文节选自《锻造与冲压》2019年第9期
联系客服
