E形前臂軸鍛件成形工藝優(yōu)化與提高

文/楊釗，張國宏，呂陽峰，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

E形前臂軸鍛件成形工藝優(yōu)化與提高

文/楊釗，張國宏，呂陽峰，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

楊釗，助理工程師，主要從事鍛件工藝開發(fā)及模具設(shè)計，三維造型以及現(xiàn)場服務(wù)等工作。

隨著現(xiàn)代鍛造行業(yè)的發(fā)展，鍛造行業(yè)的競爭日益激烈，如何提高鍛件質(zhì)量、縮短零件生產(chǎn)周期及降低生產(chǎn)成本成為企業(yè)能否立足市場的關(guān)鍵因素，作為鍛件設(shè)計開發(fā)人員，只有不斷地對鍛造工藝進行優(yōu)化，才能使得產(chǎn)品更加符合客戶要求，同時不斷降低生產(chǎn)成本。

E形前臂軸鍛件是第一拖拉機股份有限公司鍛造廠（以下簡稱鍛造廠）為CAT挖掘機上開發(fā)的一種關(guān)鍵零部件，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，鍛造工藝性較差。該產(chǎn)品原來是焊接結(jié)構(gòu)件，客戶在進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后采用鍛造工藝生產(chǎn)，因此成形難度非常大，E形前臂軸鍛件如圖1所示。經(jīng)過前期工藝分析我廠2007年底完成了首次樣件試制開發(fā)，后來由于工藝的穩(wěn)定性較差，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等因素，分別在2008年和2011年進行了兩次大的工藝改進，通過改進工藝，取得了較好的效果，目前該產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，最終得到了客戶的認可。

圖1 E形前軸臂鍛件

原工藝分析

首次工藝方案

經(jīng)過對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)以及鍛造工藝分析，初步確認該產(chǎn)品需要在8t以上的壓機設(shè)備上鍛造，結(jié)合我廠現(xiàn)有設(shè)備特點，最終確定在10t模鍛錘上進行生產(chǎn)，鍛模剖視圖如圖2所示。考慮到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異較大，導(dǎo)致鍛造過程中材料分配差異較大的特點，專門設(shè)計了具有彎曲功能的型槽，最終的生產(chǎn)工藝方案包括：下料→加熱→彎曲→終鍛→切邊→熱處理→噴丸→防銹→機加工→包裝防銹→入庫。

主要存在的問題

工藝方案確定后，按照計劃節(jié)點進行了工裝模具的設(shè)計和制造，并進行了首次樣件試制，從現(xiàn)場調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的主要問題有：設(shè)計時考慮到鍛件形狀復(fù)雜、材料分配差異大和去除氧化皮等需要，所以在終鍛前進行了彎曲工序，但是在實際生產(chǎn)中，由于彎曲型槽和鍛模之間局部落差較大，導(dǎo)致上模彎曲型槽部分強度不足；由于彎曲型槽設(shè)計不合理，導(dǎo)致彎曲后在終鍛型槽中不易定位，鍛打時造成鍛件部分充不滿嚴重，從而導(dǎo)致鍛件廢品率較高；前期工藝分析過程中對鍛件的功能性理解不足，造成鍛件局部余量過大，后續(xù)機加工效率很低；前期未考慮校正工序，部分鍛件局部彎曲，尺寸不能滿足后續(xù)機加工需要；鍛件材料利用率較低，成本較高。

由于樣件試制周期較長，首次調(diào)試中出現(xiàn)的問題沒有進行及時的改進，到二次小批量鍛打時，模具的上模在彎曲型槽部位出現(xiàn)了斷裂，最終導(dǎo)致模具報廢，該套模具一共僅僅生產(chǎn)了不到500件。

圖2 鍛模剖視圖

工藝方案分析

第一次工藝改進

由于出現(xiàn)上述問題，客戶又急需該產(chǎn)品，故我廠技術(shù)人員在原有工藝的基礎(chǔ)上對該工藝進行了局部修訂，主要從模具斷裂問題著手，分析出彎曲型槽落差過大造成模具局部強度不足，導(dǎo)致鍛造過程中模具斷裂。因此，確定的修改方案是改進彎曲型槽，將彎曲工步改為卡壓工步，改進后，上模結(jié)構(gòu)得到了很大的改善，模具強度得到了提高，經(jīng)過生產(chǎn)工藝驗證，可以滿足批量生產(chǎn)。改進后的卡壓工步如圖3所示，模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

從首次修改過程來看，雖然改進了模具結(jié)構(gòu)，但是，在后續(xù)生產(chǎn)過程中仍舊會出現(xiàn)工人鍛打定位較差、鍛件廢品率高、鍛件局部彎曲、后續(xù)機加工效率低等問題。由于前期該產(chǎn)品客戶需求量較小，上述問題在后續(xù)生產(chǎn)中一直存在。

圖3 改進后的B-B卡壓工步

圖4 改進后的模具

二次工藝改進

隨著產(chǎn)品訂單的不斷增加，由于工藝問題的存在，逐漸影響到該產(chǎn)品的交付時間。為了進一步提高生產(chǎn)效率，更好地滿足客戶對產(chǎn)品質(zhì)量、交付時間及生產(chǎn)成本等的要求，針對前期生產(chǎn)中存在的問題，我廠工藝人員對E形前臂軸鍛件從以下幾個方面進行了工藝優(yōu)化。

⑴重新設(shè)計錘上模鍛工藝。將E形前臂軸鍛件的鍛造工步由卡壓→終鍛改為直接終鍛，上下模進行互換，由原三個鎖扣增加為四個鎖扣，同時將鍛件局部分形面進行改進，主要目的是為了降低操作難度，提高坯料在鍛模中的定位準確度，減小鍛件充不滿的可能，從而降低了鍛件的廢品率，進一步提高了鍛件的質(zhì)量。

⑵增加熱校正工序。保證切邊后鍛件小頭落差尺寸合格，滿足后續(xù)機加工的需要，提高產(chǎn)品的合格率。

⑶針對后續(xù)機加工余量大的情況，通過跟蹤鍛件機加工流程，分析梳理出容易加工的地方，減少該部位的加工余量，設(shè)計E形前臂軸鍛件小余量鍛件圖。通過本次小余量改進，縮短了后續(xù)機加工工時，提高了機加工效率。

⑷鍛造成形模擬分析。為了進一步降低生產(chǎn)成本，提高工藝的合理性，避免原工藝問題的再次出現(xiàn)，對該改進方案采用DEFORM軟件進行了成形過程模擬分析。通過CAE過程模擬分析能較準確的發(fā)現(xiàn)鍛件在成形過程中出現(xiàn)的各種問題，如拐角處折紋、充滿度、毛邊大小等。經(jīng)過分析可以精確計算坯料大小，提高材料利用率；鍛件成形過程中出現(xiàn)的折紋等缺陷也能在模具設(shè)計過程中通過改變模具相應(yīng)部位圓角進行模擬，從而最終確定合適的圓角尺寸避免產(chǎn)生折疊。通過分析模擬結(jié)果（如圖5所示），對鍛模局部結(jié)構(gòu)又進行了進一步的改進，同時將原工藝用料由φ140mm改為φ135mm，提高了材料利用率，進一步降低了生產(chǎn)成本。

工藝生產(chǎn)驗證

經(jīng)過反復(fù)工藝修訂以及計算機仿真模擬分析，根據(jù)模擬情況對鍛模結(jié)構(gòu)進行了整體的優(yōu)化處理；局部圓角進行了加大處理；鍛模橋部厚度和橋部的寬度進行分段處理，保證鍛件能夠全部充滿，最終將修訂后的方案在新投入的模塊上進行了加工制造，并順利完成了生產(chǎn)調(diào)試。從現(xiàn)場調(diào)試情況看，第二次的工藝優(yōu)化方案非常理想，完全達到了預(yù)期的目的，工藝改進前后生產(chǎn)的鍛件如圖6所示。

在鍛打方面，由于增加了四角鎖扣，生產(chǎn)班組中基本不需要調(diào)整錯移，取消卡壓工序后，坯料的擺放比較容易實現(xiàn)，不再出現(xiàn)位置不固定的現(xiàn)象，班組生產(chǎn)效率大大提高，班組產(chǎn)量最高達到400件，是原來的2倍以上。

圖6 工藝改進前后鍛件結(jié)構(gòu)

在鍛件質(zhì)量方面，由于鍛打的穩(wěn)定性得到了提高，鍛件充不滿情況不再出現(xiàn)，增加了校正工序以后，鍛件的尺寸也得到保證，從而也極大地降低了由于鍛件變形導(dǎo)致后續(xù)加工過程中產(chǎn)生廢品的數(shù)量。同時，由于原來鍛件需要機加的局部位置采用了鍛造直接成形，縮短了機加工的周期，所以這也進一步提高了機加工效率。工藝改進前后鍛件機加工余量如圖7所示。

圖7 工藝改進前后鍛件機加工余量

圖8 工藝改進前后產(chǎn)生的飛邊

在成本控制方面，通過采用φ135mm規(guī)格的坯料進行生產(chǎn)，在保證鍛件質(zhì)量的前提下，每件鍛件節(jié)約原材料4.4kg，再考慮鍛件余量減小后，鍛件重量較原來減輕4kg，每件鍛件產(chǎn)品降低生產(chǎn)成本約30元。工藝改進前后產(chǎn)生的飛邊，如圖8所示。

結(jié)束語

通過對該產(chǎn)品進行多次工藝改進，最終達到了提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短零件生產(chǎn)周期的目的，也保證了產(chǎn)品的交付時間，在工藝改進過程中，不僅僅是提高了鍛造工藝水平，更為重要的是改進了產(chǎn)品的機加工工藝，通過分析產(chǎn)品裝配要求，對拐角處只需保證裝配不干涉的部位在切邊過程中直接切出，取消了部分機加工工序。這次工藝改進取得了不小的成績，希望工藝設(shè)計人員在鍛件的設(shè)計過程中要更多的和后續(xù)機加工工藝緊密結(jié)合在一起，在滿足客戶要求的前提下，以最小的生產(chǎn)成本生產(chǎn)出質(zhì)量最好的產(chǎn)品。