齿圈类锻件闭式锻造成形模拟优化及应用

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

200mm，总厚度尺寸为32mm，内孔尺寸为

100.5mm。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，成形工步件采用外圆定位，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。

锻造成形工步

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。

锻造缺陷

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。

检验结果

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。

原因分析

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。

有限元分析

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。

干旱的地域差异是干旱分区的基础。分区原则是反映区域差异的基本法则，是进行分区的指导思想，同时也是选取分区指标、建立等级系统、采用不同方法的基本准绳。

生产过程分析

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。

优化验证

工作步骤：首先将上部装置本体上的标记处与无磁悬挂刻线对齐，然后通过固定装置将其与无磁悬挂固定连接，再打开激光发射器放入发射器安装孔并通过发射器护盖固定好，然后提升钻具使动力钻具刻线处位于井口合适位置，再转动下部装置本体，使红色激光光点与角度刻度盘的0度刻线在同一半径方向，然后固定下部装置本体，将另一半刻度盘插入卡槽并用限位螺栓固定，最后读取动力钻具刻线所对应的角度，该角度即是MWD的工具面角差。

因而，这次“自然、创新、共享”的前瞻性和开创性的文化行为，正是民勤县委、县政府和民勤人民为实现国家所倡导的文化创新与文化建设理念，以生态元素和艺术品格助推甘肃省文化建设的有力行动。

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)。

如图1所示，泳道2、5、8、11分别是4种芋螺毒腺的DNA，其条带清晰、完整和无拖尾现象；其A260/A280值在1.80～2.00，表明芋螺的基因组DNA纯度符合PCR扩增要求，且能够从200 mg毒腺中提取约9.2 μg DNA；泳道1、4、7、10分别是4种芋螺毒管的DNA，其条带部分明亮，存在降解现象，有少量的RNA片段存在；泳道3、6、9、12分别是4种芋螺的肌肉组织，其条带也是部分明亮，但蛋白含量较多。根据上述结果，毒腺基因组DNA含量最高，其次为毒管，肌肉组织最少。因此，提取芋螺毒腺基因组DNA的纯度和产率均能够符合ITS-PCR扩增的基本要求。

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。

结论

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。