模鍛件復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

總裝備部裝甲兵軍事代表局 （北京 100851） 韓 琦

北方通用動(dòng)力集團(tuán)有限公司鍛造廠 （山西大同 037036） 李志廣

沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院 （遼寧 110168） 李 萌

環(huán)類(lèi)件在開(kāi)式模鍛時(shí)一般不能鍛出通孔，應(yīng)在模鍛件內(nèi)孔內(nèi)保留一定厚度的沖孔連皮（重量約占鍛件重量5%～10%）；沖孔連皮分上下模對(duì)稱的平底連皮、斜底連皮、帶倉(cāng)連皮、拱底連皮及壓凹連皮5種基本結(jié)構(gòu)形式。如果沖孔連皮設(shè)計(jì)不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致其鍛造工藝性差，難變形區(qū)大，變形力大，金屬流動(dòng)性差，鍛造缺陷多，質(zhì)量穩(wěn)定性差，材料消耗大，鍛造效率低，以及鍛模使用壽命低等不利現(xiàn)象。理論與實(shí)踐表明，模鍛件復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是克服上述缺點(diǎn)的一種有效途徑。

1. 復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu)與應(yīng)用實(shí)例

模鍛件復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu)是指在鍛模設(shè)計(jì)時(shí)將平底連皮、斜底連皮、帶倉(cāng)連皮、拱底連皮及壓凹連皮中兩種結(jié)構(gòu)以上組合運(yùn)用，或與模鍛飛邊及坯料（或鍛件）等結(jié)構(gòu)組合運(yùn)用而獲得的復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu)。

根據(jù)不同使用條件具體可分為上（下）模拱底和下（上）模平底的復(fù)合式、上（下）模平底和下（上）模壓凹的復(fù)合式、上（下）模平底和下（上）模斜底的復(fù)合式、上（下）模或上下模平底中含有斜底的復(fù)合式等4大類(lèi)結(jié)構(gòu)形式。

（1）上（下）模拱底和下（上）模平底復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu) 圖1為齒輪分步復(fù)合模鍛成形的流程：先將坯料1模鍛成形齒輪鍛件3和形成大齒輪的上模拱底連皮與下模平底連皮復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu)2，再利用其沖孔連皮2模鍛材料牌號(hào)相同的止推墊6，最后將止推墊6鍛件的沖孔連皮5再?zèng)_切或機(jī)加成螺母墊片8。

齒輪分步復(fù)合模鍛成形實(shí)現(xiàn)了平底連皮與拱底連皮復(fù)合式?jīng)_孔連皮廢料的循環(huán)再利用，可最大限度地提高齒輪鍛件材料利用率，原材料消耗降低12%，鍛件成本降低10%，具有綠色制造與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。

圖1 齒輪分步復(fù)合模鍛成形流程

（2）上（下）模平底和下（上）模壓凹的復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu) 如圖2所示，進(jìn)排氣齒輪模鍛件形狀特點(diǎn)（零件錐形內(nèi)孔尺寸過(guò)小且上小下大），在模鍛成形時(shí)，宜采用上壓凹連皮和下平底連皮復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu)，即將距離分模面8mm的φ28mm×（8～26）mm平底沖孔連皮凸臺(tái)部分置于下模模膛，這要比SR12.5mm壓凹凸臺(tái)部分置于上模模膛的效果更佳：放置坯料相對(duì)容易，鍛造效率高，鍛模使用壽命高。

圖2 進(jìn)排氣齒輪模鍛件

（3）上（下）模平底和下（上）模斜底的復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu) 如圖3為不銹鋼殼體模鍛件本身底部為平底連皮結(jié)構(gòu)，變形水平方向流動(dòng)阻力大，難變形區(qū)大，模膛凸出部分易磨損、堆塌和易斷裂失效，鍛模使用壽命極低。經(jīng)改進(jìn)，特將原平底連皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上模斜底和下模平底復(fù)合式連皮結(jié)構(gòu)，可有效克服上述缺點(diǎn)。

圖3 不銹鋼殼體模鍛件

（4）上（下）?；蛏舷履Ｆ降字薪院行钡椎膹?fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu) 如座體模鍛件的內(nèi)孔尺寸較大（見(jiàn)圖4、圖5），原設(shè)計(jì)皆為傳統(tǒng)的平底沖孔連皮結(jié)構(gòu)。如果沖孔連皮過(guò)薄，水平方向變形阻力過(guò)大，難變形區(qū)大，模膛凸出部分易磨損和堆塌，鍛模使用壽命低，折疊、模鍛不足和局部未充滿等缺陷多，鍛造效率低。沖孔連皮過(guò)厚，雖然有助于克服上述不利因素，但不利于去除沖孔連皮，也浪費(fèi)金屬材料。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)圖4座體熱模鍛件的形狀特點(diǎn)（上模變形量大、下模變形量小），特將圖4座體熱模鍛件的原平底沖孔連皮結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)為上模平底中含有斜底、下模仍為平底的復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu)，則可有效克服原平底沖孔連皮設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)。根據(jù)圖5座體熱模鍛件的形狀特點(diǎn)（與圖4相比，上下模的變形量都比較大），特將圖5座體熱模鍛件的原平底沖孔連皮結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)為上下模平底中皆含有斜底的復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu)，則可有效克服原平底沖孔連皮設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)。

圖4 座體熱模鍛件

圖5 座體熱模鍛件

優(yōu)化設(shè)計(jì)的圓環(huán)座體模鍛件的上下模平底連皮中，含有斜底連皮的復(fù)合式結(jié)構(gòu)，其沖孔平底連皮厚度和復(fù)合斜底連皮最小厚度可按下式計(jì)算：

式中S——平底連皮厚度（mm）；

d——鍛件內(nèi)孔直徑（mm）；

h——鍛件內(nèi)孔深度（mm）；

Smin——復(fù)合斜底連皮最小厚度（mm）。

以圖5座體模鍛件S和Smin的計(jì)算為例（圖4座體模鍛件S和Smin的計(jì)算于此同理），將d＝209mm和h＝22.5-5＝17.5mm代入式（1），可得模鍛平底連皮厚度S＝8.9mm，因復(fù)合斜底沖孔連皮可有效降低沖孔連皮尺寸，因此，實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)為8.0mm較為合理。將S＝8.0mm代入式（2），可得復(fù)合斜底連皮最小厚度Smin＝5.2mm，充分考慮該復(fù)合斜底連皮的實(shí)際有效直徑尺寸為φ165mm及考慮沖孔連皮厚薄應(yīng)適度。

因此，實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)為5.0mm較為合理。座體沖孔連皮結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可達(dá)到座體模鍛的難變形區(qū)小、金屬流動(dòng)效果好、省力成形效果好、尺寸一致性好，減少材料消耗至少0.30kg/件，減少錘擊次數(shù)2～4錘次/件、提高切邊沖孔效率，以及提高鍛模與沖孔模使用壽命等效果。

2. 結(jié)語(yǔ)

（1）模鍛件復(fù)合式?jīng)_孔連皮的四大結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有統(tǒng)一固定模式，在實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用時(shí)，應(yīng)一切從實(shí)際出發(fā)，尤其是要根據(jù)環(huán)類(lèi)件的形狀特點(diǎn)或模鍛工步等約束條件來(lái)綜合優(yōu)選確定。

（2）理論與實(shí)踐表明，模鍛件復(fù)合式?jīng)_孔連皮結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是有效改善具有沖孔連皮結(jié)構(gòu)鍛件的模鍛工藝性，減小難變形區(qū)及金屬變形阻力，減少材料消耗、變形力和鍛造缺陷，以及提高質(zhì)量穩(wěn)定性、鍛造效率和鍛模使用壽命的一種行之有效的方法，具有技術(shù)上的可行性、質(zhì)量上的可靠性和經(jīng)濟(jì)上的合理性。