類回轉(zhuǎn)體鍛件精密鍛造工藝研究開發(fā)（中）

文/陳凌，姚毅，宋凱，吳保健·一汽巴勒特鍛造（長(zhǎng)春）有限公司技術(shù)開發(fā)部

類回轉(zhuǎn)體鍛件精密鍛造工藝研究開發(fā)（中）

文/陳凌，姚毅，宋凱，吳保健·一汽巴勒特鍛造（長(zhǎng)春）有限公司技術(shù)開發(fā)部

突緣類鍛件的精密鍛造工藝

突緣的鍛造工藝原為普通鍛造，其制出的鍛件如圖1所示；工藝流程為鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→熱切邊→沖孔，如圖2所示；切邊、沖孔使用的是聯(lián)合模結(jié)構(gòu)，如圖3所示，工作時(shí)，一人負(fù)責(zé)切邊，一人負(fù)責(zé)沖孔。

圖1 普通鍛件

圖2 普通鍛造工步圖

圖3 聯(lián)合模結(jié)構(gòu)

普通鍛造工藝有以下缺點(diǎn)：

⑴預(yù)鍛、終鍛錯(cuò)差需要調(diào)整，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

⑵錯(cuò)差會(huì)引起切邊毛刺四周不均勻，需要打磨。

⑶切邊、沖孔需要兩個(gè)人同時(shí)操作。

⑷切邊時(shí)法蘭變形嚴(yán)重。

精密鍛造工藝采用的是鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→沖孔→車毛刺的工藝流程（圖4），生產(chǎn)出的鍛件如圖5所示。由于模具上下模單側(cè)間隙僅為0.3mm，因此不用調(diào)整錯(cuò)差就可以生產(chǎn)。鍛件沒(méi)有飛邊，因而不用切邊，法蘭沒(méi)有變形，消除了普通鍛造工藝的缺點(diǎn)。

圖4 精密鍛造工步圖

圖5 精密鍛件

活塞裙鍛件的精密鍛造工藝

作為汽車“心臟”的發(fā)動(dòng)機(jī)，其性能的好壞決定著汽車的品質(zhì)。隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求也越來(lái)越高。高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)與普通發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可提高功率30％以上，降低油耗10％，減少CO2排放20％。而常規(guī)的鋁合金活塞已不能適應(yīng)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的高增壓、低油耗、低排放的要求，鍛鋼活塞成了替代鋁合金活塞的理想選擇。

鍛鋼活塞主要用于爆發(fā)壓力超過(guò)200bar、升功率超過(guò)32kW/L的高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，在國(guó)外鍛鋼活塞已得到了較為廣泛的應(yīng)用，馬勒、輝門和科爾本施密特等國(guó)際著名活塞公司已具備批量生產(chǎn)鍛鋼活塞的能力。國(guó)內(nèi)主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)如上柴、康明斯、濰柴和大柴等均在加緊對(duì)使用鍛鋼活塞的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和產(chǎn)業(yè)化。

圖6 鍛鋼活塞尺寸圖

在國(guó)內(nèi)，鍛鋼活塞使用非調(diào)質(zhì)鋼材料的較多。由于鍛鋼活塞工作條件苛刻，因此對(duì)鍛造毛坯的要求非常高，如圖6所示為某發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的鍛鋼活塞，從中可以看出：

⑴鍛件存在薄壁，且薄壁的高度高，高徑比達(dá)到10∶1，鍛件很不容易充滿。

⑵鍛件的尺寸公差及形位公差，要求都是精密級(jí)，在鍛造時(shí)稍有變形，就得不到保證。

⑶鍛件拔模角小，不利于鍛件出模，如頂出不當(dāng)，還可造成鍛件變形。

⑷鍛件薄壁最薄的地方不到5mm，普通刀具無(wú)法加工，給模具加工帶來(lái)困難。

⑸活塞材料為非調(diào)質(zhì)鋼，鍛造溫度對(duì)活塞硬度及金相組織起著決定性作用，同時(shí)對(duì)鍛件充滿也有很大影響。

以上幾個(gè)方面相互影響制約，因此，要實(shí)現(xiàn)鍛件的生產(chǎn)存在非常大的困難。目前，在國(guó)內(nèi)鍛造活塞較為成熟的工藝為普通鍛造工藝，具體工步為：鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→熱切邊，生產(chǎn)出的鍛件見圖7。使用普通鍛造工藝生產(chǎn)活塞，材料利用率在80％左右，使用設(shè)備為2500t熱模鍛壓力機(jī)。

精密鍛造工藝的具體工步為：鐓粗→預(yù)鍛→終鍛，各工步如圖8所示。

選擇鐓粗工步，主要目的是去除鋼材因加熱而產(chǎn)生的表面氧化皮，因鍛件存在不加工表面，表面質(zhì)量對(duì)鍛件來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因此必須使用鐓粗工步去除氧化皮，以減輕鍛件表面的氧化坑深度。

圖7 普通鍛造工藝生產(chǎn)的活塞

圖8 活塞精密鍛造工步

預(yù)鍛時(shí)，鍛件薄壁尺寸不能設(shè)計(jì)得太高，以防止溫度下降過(guò)快而導(dǎo)致終鍛無(wú)法充滿，還能避免終鍛時(shí)鍛造折紋的產(chǎn)生。

使用精密鍛造工藝生產(chǎn)活塞，材料利用率可提高到90％以上，經(jīng)過(guò)對(duì)鍛造力的模擬和實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，精密鍛造工藝的鍛造力也大大減弱，使用2000t熱模鍛壓力機(jī)即可滿足生產(chǎn)需求。由于精密鍛造時(shí)不產(chǎn)生飛邊，因此不需要熱切邊工步，縮短了工序，減少了人員和設(shè)備配置，節(jié)約了生產(chǎn)成本。由此可見，使用精密鍛造工藝生產(chǎn)活塞較普通鍛造工藝有了很大的提高。

在模具設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮以下幾方面內(nèi)容：

⑴鍛件存在薄壁，填充非常困難，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)終鍛型腔的部分尺寸進(jìn)行合理的調(diào)整，以便于鍛件充填能夠容易些。另外，活塞內(nèi)腔需要安裝連桿及銷，并且不進(jìn)行加工，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要合理考慮內(nèi)腔尺寸，避免和其他零件發(fā)生干涉。

⑵由于鍛件的形狀并不是一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)體，存在明顯的方向性，因此，在各工步之間進(jìn)行轉(zhuǎn)序鍛打時(shí)必須考慮定位問(wèn)題，以防止因位移造成鍛造折紋。

⑶由于型槽較深，金屬在充填型槽時(shí)容易憋氣，因此，模具必須開排氣孔，排氣孔的大小應(yīng)以既能順利排出氣體，也不往排氣孔里鉆金屬為宜，尺寸控制在φ（1～1.2）mm。

⑷鍛件的形位公差要求嚴(yán)格，模具需采用雙鎖扣形式。

⑸鍛件拔模角小，合理的頂出結(jié)構(gòu)是鍛件順利出模的有力保證，在頂出位置面積有限的情況下，應(yīng)盡量保證頂桿與鍛件的接觸面積足夠大。

終鍛模具結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 終鍛模具結(jié)構(gòu)

在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，還應(yīng)注意下面這些問(wèn)題：

⑴鍛造加熱溫度的控制。加熱溫度高，有利于鍛件充滿，但非調(diào)質(zhì)鋼鍛件，其鍛后硬度和金相組織跟溫度息息相關(guān)，過(guò)高的溫度會(huì)造成不良影響，因此，鍛打溫度應(yīng)控制在1150～1200℃。

⑵在模具潤(rùn)滑劑的選擇上，最好選用受熱后不會(huì)在模具上結(jié)疤的潤(rùn)滑劑，這樣不但有利于出模，而且還不會(huì)堵塞排氣孔，排氣孔一旦堵塞，鍛件就無(wú)法充滿。

⑶型槽較深一側(cè)最好安裝在設(shè)備的上方，型槽不容易因堆積氧化皮而導(dǎo)致鍛件無(wú)法充滿。

使用精密鍛造工藝生產(chǎn)的活塞如圖10所示，精密鍛造工藝生產(chǎn)的鍛件和普通鍛造工藝生產(chǎn)的鍛件相比，外側(cè)沒(méi)有了殘留飛邊。用戶在機(jī)械加工裝卡時(shí)，需要夾緊活塞外側(cè)，如果存在殘留飛邊，會(huì)直接影響用戶裝卡定位。精密鍛造工藝生產(chǎn)的鍛件避免了這個(gè)問(wèn)題的發(fā)生，給用戶的機(jī)械加工帶來(lái)了方便。

圖10 精密鍛造工藝生產(chǎn)的活塞

最后，在模具制造時(shí)，由于型槽狹窄，刀具無(wú)法加工，因此，只能使用電火花進(jìn)行模具加工。使用電火花加工，對(duì)模具型槽尺寸是可靠的保證。

精密鍛造工藝模具結(jié)構(gòu)的開發(fā)

對(duì)于筆者所在公司來(lái)說(shuō)，制約精密鍛造工藝實(shí)施的主要難點(diǎn)有：現(xiàn)有設(shè)備與其他企業(yè)新型設(shè)備相比，頂料機(jī)構(gòu)沒(méi)有高度保持功能，鍛件出模問(wèn)題一直無(wú)法解決。再者，設(shè)備陳舊，都是服役20年以上的老設(shè)備，精度不夠，很難解決鍛件錯(cuò)差和充不滿的問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，在模具結(jié)構(gòu)上采取了以下4項(xiàng)措施：

⑴改變分模方向，解決出模難的問(wèn)題（圖11）。

⑵在鐓粗工步增加定位型槽，解決坯料定位問(wèn)題（圖12）。

⑶采取直鎖扣設(shè)計(jì)，解決鍛件錯(cuò)差問(wèn)題（圖13）。

⑷增加預(yù)鍛工步，解決鍛件充不滿的問(wèn)題。

圖11 改變分模方向

圖12 在鐓粗工步增加定位型槽

圖13 采取直鎖扣設(shè)計(jì)

為了很好地保證鍛件錯(cuò)差小及防止模具啃壞，將精密模具上下鎖扣設(shè)計(jì)為直鎖扣結(jié)構(gòu)，并且將其分塊設(shè)計(jì)，如圖14所示，既節(jié)省了模具材料，還提高了模具壽命，避免了模具壁厚不足且打擊力大而引起的模具開裂。直接在模具最薄弱的位置，即鍛件最大外圓處將模具分塊，目的是為了避免生產(chǎn)時(shí)在縫隙中擠入金屬。在模具配合位置提前設(shè)計(jì)出2mm高的直段，鑲塊與套過(guò)盈配合，單邊過(guò)盈量為0.1～0.15mm，裝配時(shí)壓裝。

圖14 鎖扣及鑲塊結(jié)構(gòu)實(shí)例圖

模擬軟件在精密鍛造工藝中的應(yīng)用

鍛造成形是現(xiàn)代制造業(yè)中的重要加工方法之一。鍛造成形的制件有著其他加工方法難以達(dá)到的良好的力學(xué)性能。但目前鍛造工藝和模具設(shè)計(jì)，大多仍采用生產(chǎn)調(diào)試和類比的傳統(tǒng)方法，不僅費(fèi)時(shí)而且鍛件的質(zhì)量和精度很難提高。隨著有限元理論的成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，用模擬軟件進(jìn)行鍛壓成形分析，并據(jù)此設(shè)計(jì)工藝和模具，已成為一種行之有效的手段。

Forge軟件在精密鍛造設(shè)計(jì)中的作用非常重要，可避免由于設(shè)計(jì)失誤造成模具成本的提高，可清晰的看清設(shè)計(jì)模具的金屬流動(dòng)方向以及鍛件是否充滿和折疊，指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。模擬的指導(dǎo)原則是終鍛先充滿后出毛刺，這樣就大大降低了模具的承壓力，提高了模具的壽命。

普通鍛造的鍛造壓力可按下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

P＝（6.4～7.3）KF

式中 P—普通鍛造的鍛造壓力（t）；

K—鋼種系數(shù)；

F—包括飛邊橋部在內(nèi)的鍛件投影面積（mm2）。

可見普通鍛造所需的鍛造力是由投影面積的大小決定的，而精密鍛造的鍛造力則取決于成形金屬流動(dòng)的先后次序和下料精度。如果在坯料下料精度能夠保證且有模擬軟件模擬的指導(dǎo)作用下，所需鍛造力非常小。

如前面提到的突緣類鍛件，用Forge模擬軟件模擬普通鍛造終鍛變形力為18661kN。由于打擊力超出了2000t鍛壓機(jī)的安全使用范圍，因此我公司只能在3150t鍛壓機(jī)上生產(chǎn)。而采用精密鍛造工藝后，模擬終鍛變形力為12637kN，2000t鍛壓機(jī)即可滿足要求，對(duì)設(shè)備、能源都有大幅節(jié)約。

為了提高設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)鍛件的成形過(guò)程使用Forge軟件進(jìn)行模擬，以活塞裙鍛件精密工藝的開發(fā)為例，這樣復(fù)雜的鍛件只有通過(guò)多次、反復(fù)的模擬，才能找到最優(yōu)的成形方案，從而避免鍛打折紋、充不滿等缺陷的產(chǎn)生，確保鍛件在生產(chǎn)調(diào)試時(shí)一次成功。

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