薄形鍛件閉式鍛造工藝

文/桂安朋，王志偉·一汽巴勒特鍛造（長春）有限公司

薄形鍛件閉式鍛造工藝

文/桂安朋，王志偉·一汽巴勒特鍛造（長春）有限公司

隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場經(jīng)濟的深化改革，經(jīng)濟全球一體化的深入，汽車工業(yè)也在不斷地適應形勢的變化，導致轎車車型淘汰和投產(chǎn)更新速度快，從而推動鍛件產(chǎn)品更新加速、產(chǎn)品類別越來越多。

圖1所示的AMP-70型熱鐓機是瑞士哈特貝爾公司生產(chǎn)的，采用閉式模鍛工藝對鍛件進行鍛造。設備機身采用框架式整體結構，受力均勻，減少了振動和沖擊，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。主滑塊是由曲柄連桿結構進行驅(qū)動；凹模頂出結構采用凸輪控制剛性頂出結構；全部的自動化機械手以及夾持部分同樣都由凸輪結構控制，傳遞準確可靠，不易損壞。設備還具有熱剪切下料機構，剪切棒料規(guī)格為φ（36～75）mm，下料長度在45～150mm之間，此結構保證了熱鐓機設備閉式模鍛工藝的穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 熱鐓機結構示意圖

傳統(tǒng)閉式工藝

在鍛造生產(chǎn)過程中，往往會遇到直徑較大而厚度非常薄的鍛件，即薄形鍛件。用形象的數(shù)據(jù)描述該鍛件即圓形鍛件的厚度與直徑之比h/d≤0.2，此類鍛件復雜系數(shù)為S4，屬于復雜類薄形鍛件，如圖2所示。此類鍛件成形困難，脫模難、沖孔變形大。

圖2 薄形鍛件

傳統(tǒng)開式鍛造工藝設計有飛邊橋和倉部（以容納多余鍛造金屬），所以模塊較大，如圖3所示。在鍛造后續(xù)過程中需要切邊和沖孔，開式工藝是采用切邊、沖孔復合模，一個鍛件品種一套切邊、沖孔復合模，而且在生產(chǎn)過程中復合模調(diào)整較為煩瑣，故障發(fā)生點較多，經(jīng)常需要停工更換或修復模具，嚴重影響生產(chǎn)效率。

熱鐓機傳統(tǒng)閉式工藝沒有橋和倉部，所以模塊采用小型化、標準化的鑲塊式結構，如圖4所示，采用通用的凸凹模座、壓套或壓環(huán)，模具僅為小型的回轉體，加工和模具材料成本都大大降低，生產(chǎn)時裝配簡單快捷，生產(chǎn)效率得到了明顯提高。

圖3 傳統(tǒng)開式工藝模具結構

圖4 熱鐓機傳統(tǒng)閉式工藝模具結構

圖5 所示的開式鍛件有飛邊，切掉的飛邊只能當作廢料處理，材料利用率低；鍛件易產(chǎn)生錯差和切邊毛刺，影響機加工。鍛件品種更換時必須整體更換復合模，調(diào)整復雜且時間長，模具結構復雜且制造周期長，加工成本高。

圖5 開式鍛件

圖6 所示的閉式鍛件沒有飛邊，材料利用率高；鍛件錯差小、無切邊毛刺。鍛件品種更換時只需更換凸模、凹模，模具結構簡單且操作簡單，通用性好，模具制造周期短，加工成本低。

圖6 閉式鍛件

鍛造工藝分析

熱鐓機閉式鍛造是利用側向擠壓變形、通過驅(qū)動鍛模凸模，使坯料流向側面的模具空間進行鍛造的。當坯料在凸、凹模的作用下被壓縮產(chǎn)生塑性流動，縱向塑性流動受阻后，轉換方向形成徑向或橫向流動，從而充滿整個型腔。

圖7所示的是一個典型薄形鍛件示意圖，零件尺寸外徑φ114mm，最大外圓厚度僅17mm，圓盤厚度與直徑比h/d=0.15。鍛件按整體單邊余量1mm，外圓出模角1°設計，允許未充滿圓角R≤2mm，鍛件重量0.93kg。

圖7 典型薄形鍛件示意圖

熱鐓機閉式鍛造工藝流程為：上料→中頻感應電加熱→熱切料→鐓粗→預鍛→終鍛→熱沖孔→熱處理→清理。AMP-70型熱鐓機切料機構由凸輪控制夾緊塊使模座內(nèi)的固定切刀壓緊，毛坯料在固定切刀夾緊下熱切斷，扭曲變形小。切下的毛坯料由氣動加壓的夾持器壓緊在活動切刀上，一起送到第一工位成形工位，當?shù)谝还の粵_頭頂銷接住毛坯料并將它推到第一工位凹模模膛時，氣動夾持器同時被打開。剪切毛坯料段長度及送料長度在生產(chǎn)進行中均可調(diào)節(jié)，并通過ESA自動探測系統(tǒng)監(jiān)控排除料頭、料尾，監(jiān)測到的料頭、料尾便自行在切料工位落下。

熱剪切下料應注意棒料的加熱溫度，加熱溫度應控制在1230～1280℃；注意棒料剪切毛刺，剪切刀痕印的大小，并隨時做好準備更換剪刀模具；應隨時抽檢并觀察棒料表面質(zhì)量、端面斜度的大小等。

AMP-70型熱鐓機4個成形工位狀態(tài)，鍛造時為了提高模具壽命，所有凸模、凹模與熾熱金屬接觸部位均采用強制噴淋水冷卻。

頂出套模具設計

圖8 鍛打鍛件的4個工步

目前設計的熱鐓機頂出套結構解決了鍛件脫模力大引起的變形，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，從而取消此鍛件粗車環(huán)槽工藝。熱鐓機鍛打此鍛件僅需要4個工步：鐓粗→預鍛→終鍛→熱沖孔，如圖8所示。

此工藝選用φ50mm×70mm的棒料，首先對其進行鐓粗工步，目的是去除鋼材因加熱而產(chǎn)生的表面氧化皮，減輕鍛件表面的氧化坑深度，保證鍛件良好的表面質(zhì)量。預鍛時，鍛件法蘭厚度尺寸不能設計太薄，以大致充滿為佳，這樣能避免終鍛時鍛造折紋的產(chǎn)生。

由于熱鐓機閉式鍛造工藝采取封閉式體積成形，當終鍛成形完成后，鍛件會鑲嵌在終鍛凹模側，而熱鐓機傳統(tǒng)頂桿結構頂出面積較小，非常容易出現(xiàn)頂桿頂穿連皮或?qū)㈠懠斪冃蔚那闆r。同時在鍛打過程中頂桿兩端均受力，很容易造成頂桿彎曲，導致頂桿失效，最終造成不必要的頂桿模具材料的浪費。

圖9為以鑲塊式設計思路為出發(fā)點設計的先進頂出套結構，充分地節(jié)約模具成本，實施綠色鍛造。根據(jù)脫模力的大小計算頂出套的外徑，設計頂芯與頂出套單邊間隙0.15mm，這充分地起到了頂出套頂出時的導向作用，還有利于模具的冷卻，既不對鍛件質(zhì)量造成影響，也能提高生產(chǎn)效率。

圖9 頂出套結構

頂出套結構工藝的優(yōu)點是采用組合式鑲塊結構，節(jié)約材料，模具拆卸方便、冷卻效果好。此結構中，頂出套是易損件，為了方便更換，節(jié)約成本，采用組合式鑲塊結構。但是一定要注意頂出力P和脫模力F的大小，當頂出力小于脫模力時，脫模時會使鍛件受到脫模力的制約，使鍛件扭曲變形。

熱鐓機生產(chǎn)線布局

傳統(tǒng)鍛壓機生產(chǎn)線由圓盤鋸、中頻感應加熱爐、10000kN鍛壓機、1600kN沖床組成,如圖10所示。各工序之間需要通過4個工人與設備配合進行工件傳送，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

熱鐓機生產(chǎn)線由上料架、中頻感應加熱爐、AMP-70型熱鐓機傳送帶、鍛件存放箱組成，如圖11所示。各工序之間需要通過兩個工人與設備配合進行工件傳送，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)；一個工人負責中頻感應加熱爐溫度；另一工人負責操作主機。熱鐓機生產(chǎn)線布局緊湊，占地面積小，節(jié)省人員的體力，也減少了各工序間的搬運時間，從而提高了工作效率。

圖10 傳統(tǒng)鍛壓機生產(chǎn)線布局

圖11 熱鐓機生產(chǎn)線布局

結束語

使用熱鐓機閉式鍛造生產(chǎn)，材料利用率提高到90%以上，經(jīng)過對鍛造力的模擬和實際生產(chǎn)驗證，使用熱鐓機閉式鍛造，鍛造力也大大減弱，AMP-70型熱鐓機就可以滿足生產(chǎn)需求。

現(xiàn)在許多汽車變速器生產(chǎn)廠家在采購鍛件時，對鍛件質(zhì)量的要求越來越高，價格要求越來越低，傳統(tǒng)鍛造工藝已經(jīng)很難達到這種要求。因此，熱鐓機擠壓成形也越來越受到汽車廠配套鍛件廠的青睞。

桂安朋，工程師，從事汽車鍛件生產(chǎn)工藝的設計研究。