U形夾板花蘭的鍛造工藝

文/張來星，張體學(xué)，仇恒臣·山東神力索具有限公司

U形夾板花蘭的鍛造工藝

文/張來星，張體學(xué)，仇恒臣·山東神力索具有限公司

張來星，助理工程師，主要從事高檔索具研發(fā)和工藝設(shè)計，負(fù)責(zé)開發(fā)的產(chǎn)品獲得多項實用新型和外觀設(shè)計專利。

精密鍛造可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，在國外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)需要，對采用模鍛錘生產(chǎn)U形夾板花蘭的鍛造工藝進行介紹，通過在模鍛錘上安裝鑲嵌模座和鑲嵌模塊來完成大型、高筋窄縫類不易成形產(chǎn)品的生產(chǎn)。

模鍛工藝介紹

由于生產(chǎn)加工難度較大，國內(nèi)生產(chǎn)的U形夾板花蘭多采用鑄造工藝。受鑄造工藝的限制，產(chǎn)品性能存在一定的不足。U形夾板花蘭多用于自然環(huán)境比較惡劣的地方，因此采用鑄造生產(chǎn)的花蘭在吊裝作業(yè)時，存在一定的安全隱患。另外，鑄造能耗大，環(huán)境污染嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，不符合國家節(jié)能減排的政策。

鍛造作為一種成熟的金屬成形技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。它借助外力使材料發(fā)生塑性變形，從而得到所需要的形狀、尺寸。鍛造加工能保證產(chǎn)品金屬流線的連續(xù)、完整，具有良好的力學(xué)性能與使用壽命，同時鍛造加工過程也是對原材料內(nèi)部存在的偏析、疏松、氣孔、夾渣等缺陷進行壓實的過程，從而使內(nèi)部組織更加緊密，提高了材料的塑性和韌性。

我們用一年多的時間對國內(nèi)外不同廠家的U形夾板花蘭、連接區(qū)結(jié)構(gòu)進行調(diào)研，以及對現(xiàn)有U形夾板花蘭出現(xiàn)的問題進行分析，采用新型力學(xué)設(shè)計理念，對連接區(qū)的鏈環(huán)、吊索、吊帶、轉(zhuǎn)向環(huán)等重新進行精確設(shè)計，確定采用模鍛成形的設(shè)計方式，并通過三維塑性反復(fù)演示和改進，最終攻克了U形夾板花蘭結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜、高筋窄縫，以及在鍛造時不能出模的難題，得到性能、形狀、尺寸均滿足要求的產(chǎn)品，從而掌握了金屬模鍛工藝替代鑄造工藝的關(guān)鍵技術(shù)。模鍛生產(chǎn)的U形夾板花蘭具備以下特點：

⑴整個鍛造過程一次加熱成形，可以降低生產(chǎn)成本，其材料利用率高，比普通鍛造+傳統(tǒng)切削加工提高30%～50%的材料利用率，同時可節(jié)省切削的加工時間。

⑵相比于傳統(tǒng)的鑄造工序，具有簡單、高效、精度可控的特點，可大大縮短生產(chǎn)周期。

⑶產(chǎn)品外觀質(zhì)量好、金相組織細密、晶粒細化，具有連續(xù)的金屬流線，表面硬度高，從而提高了強度，表面耐磨性好，熱處理變形小。

⑷能很好地解決鑄造工藝所不能解決的砂眼、夾渣、氣孔、偏析、疏松等潛在缺陷，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了制造過程中的污染排放，符合國家節(jié)能減排政策的要求。

工藝設(shè)計與模具制造

我公司開發(fā)的U形夾板花蘭系列產(chǎn)品（圖1a）有10余種規(guī)格，小規(guī)格材料均為45鋼，大規(guī)格材料為35CrMo鋼，其鍛件（圖1b）屬薄壁高筋窄縫類鍛件產(chǎn)品。

由于兩夾板之間距離特別小，夾縫較窄，鍛造時不易出模，特別是兩夾板的大圓頭中間部位（圖1b中B處），所對應(yīng)的模具壁薄筋高，又不易快速出模，導(dǎo)致該部分模具在高溫下受熱時間過長而退火軟化，反復(fù)多次冷卻，該部位模具易出現(xiàn)B處放大所示的嚴(yán)重龜裂而影響生產(chǎn)。受設(shè)備能力的限制，大規(guī)格的常規(guī)鍛件在模鍛錘上無法鍛造，而在自由鍛錘上鍛造時，由于受鍛件拔模斜度及飛邊切痕的影響，無法滿足工藝要求，有一定難度。

圖1 U形夾板花蘭系列產(chǎn)品

鍛件工藝分析

（1）模鍛錘的特點。

由于模鍛錘具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、工藝適應(yīng)性好、生產(chǎn)效率高、無過載損壞等優(yōu)點。錘上模鍛成為生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的鍛造方法。近年來我公司對模鍛錘的結(jié)構(gòu)、性能和控制等方面又進行了大量的研究和改進，學(xué)習(xí)各國使用模鍛錘進行鍛造生產(chǎn)的經(jīng)驗，為U形夾板花蘭的工藝改造提供了基礎(chǔ)條件。

針對兩夾板之間距離小，夾縫窄，鍛造時不易出模，特別是兩夾板大圓頭的中間部位壁薄筋高，模鍛錘能快速打擊，產(chǎn)品能快速變形、出模，對現(xiàn)有模具、工裝進行改進，確定了不同規(guī)格產(chǎn)品采用不同模具加工的方法。

（2）鍛造工藝方案。

①對于M24、M30、M36、M42、M48等小型工件，由于分模面有效承壓面積小，產(chǎn)生的飛邊也少，用料相對較小。因此，鍛打時不需要很大的打擊力。針對此類產(chǎn)品鍛造時有兩種工藝可供選擇，一種是直接選用合適的圓鋼材料進行立鐓成形，第二種是選用較粗一點的圓鋼材料，在150kg空氣錘上先拔長再立鐓成形，然后在模鍛錘上鍛造。其中M42與M36只有兩夾板間距不一致，其余尺寸相同，故決定M42可由M36擴寬而成。

②對于M56、M64、M68、M76、M80、M85等工件，由于夾板處的尺寸較大，后面的圓柱較粗，模鍛錘鍛造打擊能力有限，不能有效使其快速變形，達到小規(guī)格產(chǎn)品的效果，因此初步?jīng)Q定先在3t自由鍛錘上鍛造預(yù)成形。

工藝問題及解決措施

M24、M30、M36在3t模鍛錘上鍛造時，用棒料直接拔長成形，M24基本上問題不大，而M30、M36直接用圓棒料拔長成形時，在圖1b所示A部位易出現(xiàn)折疊、裂紋或填充不足現(xiàn)象，飛邊分布也極不均勻，材料浪費嚴(yán)重。究其原因，主要是坯料金屬分布不合理，造成該部位一開始充不滿，其他地方又有多余的料擠壓過來，造成折疊或裂紋。

我們在560kg空氣錘上出坯，使坯料金屬材料分布接近模鍛型腔的用料分布，試鍛時一次就成形了，而且飛邊較均勻，用料也比直接用棒料拔長成形減少約0.5kg。該工藝主要有以下5個優(yōu)勢：

⑴鍛件飛邊少，且飛邊是鍛打時自由形成，不需要設(shè)計飛邊倉部，鍛件易成形。

⑵材料利用率高，只產(chǎn)生少量飛邊，飛邊厚度為2～4mm。

⑶模具制造容易，所需的模架結(jié)構(gòu)也比較簡單，在普通的J51～300型雙盤摩擦壓力機上就能鍛造成形。

⑷鍛造時，材料首先沿著軸向充滿型腔，然后再向徑向流動。

⑸有很好的定位基準(zhǔn)，有利于后序機加工。

由于兩夾板中間部分的模具高凸，而且壁很薄，加之不易快速出模，導(dǎo)致該模具部分部位在高溫下停留時間過長而退火軟化，反復(fù)冷卻造成嚴(yán)重龜裂。我們把容易龜裂部位做成圖2所示的弧形，使該部位筋部變厚變矮，于是便解決了這一問題。

圖2 夾板處模槽改進

當(dāng)M36U形夾板花蘭擴寬成M42夾板花蘭時，出現(xiàn)了兩夾板不對稱或兩夾板上下不一致的問題。為此，專門設(shè)計了一套如圖3所示的工裝，使鍛件質(zhì)量合格。

該工裝的設(shè)計，不但解決了兩夾板不對稱或兩夾板上下不一致的問題，還為下一步鍛件的改進（優(yōu)化）創(chuàng)造了條件。已試制出來的模鍛件加工出來的零件產(chǎn)品，出現(xiàn)如圖4所示的形狀，即尺寸b｀＞b，不能完全滿足圖紙要求，外觀粗糙。

圖3 擴展工裝

鍛造工藝的改進

模鍛錘是一種限能設(shè)備。金屬變形時，能量用盡則金屬停止變形，如要進一步變形則需再次打擊，直到鍛件成形。作為限能設(shè)備，剛度對鍛件精度影響不大，限能設(shè)備是靠模具的模面接觸來控制高度公差的。限能設(shè)備沒有固定的下死點，模具閉合時鍛件成形，鍛件的高度公差是靠模膛的精度來控制的，只要模膛加工精度滿足要求，毛坯體積合適，金屬流動合理，是可以在錘上鍛出合格的U形夾板花蘭的。

由于模鍛錘的鍛擊力主要靠砧座來承受，設(shè)備振動大，錘頭與導(dǎo)軌之間隙不能過小，加之常受偏心負(fù)荷，在沖擊作用下，不可避免的會產(chǎn)生錯移，因此需對鍛件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，增大拔模斜度，以滿足鍛件脫模的需要。

⑴優(yōu)化鍛件設(shè)計方案。

大規(guī)格U形夾板花蘭工件在模鍛錘上鍛造的兩大難題是超重和超長。超重必須考慮如何減少鍛件的下料重量，超長須考慮如何改進模座的結(jié)構(gòu)。當(dāng)坯料尺寸波動所形成的體積誤差能夠被U形夾板花蘭高度方向的尺寸公差所包容時，即可達到坯料體積與模膛容積相匹配。因此，工藝設(shè)計時將兩U形夾板端大圓頭部分合并在一起，留出鋸縫，如圖5所示。這樣鍛件用料從117kg減少到75.2kg，但仍然嚴(yán)重超重。為此，采用了多火次（每火必切邊）、多腔鍛造的辦法來解決這一問題。

⑵鍛件所用模具的確定。

大規(guī)格U形夾板花蘭產(chǎn)品在5t模鍛錘上鍛造，因鍛件較長，不可能全部用整體模，最好全部采用鑲嵌模塊，以便降低成本。分析比較后，最終決定M80(M85）、M76（M68）采用兩鍛模（4項）用整體模，M48、M56(M64）采用兩鍛模（3項）用鑲嵌塊模生產(chǎn)?？紤]到以后超長軸類鍛件的需要，M80（M85）鍛造模座也按鑲嵌塊模具設(shè)計。

M80（85）采用鑲嵌塊模具時，首先要設(shè)計模座鑲塊的前后定位，將其前后開通，在左邊設(shè)凹槽（鑲塊設(shè)凸臺）定位，右邊用楔鐵緊固（圖6b），這樣鑲塊的長度可以做成與模座的前后長度一致。模座設(shè)計長度720mm，實際長度750mm，約重1.5t，基本上符合設(shè)計要求。

模座的改進，不但M48、M56(M64）可以按設(shè)計要求在5t模鍛錘上用鑲塊模具鍛造，也為今后的長軸類鍛件在5t模鍛錘上運用鑲塊模具鍛造打下了基礎(chǔ)。在模座加工過程中，模座左邊凹模深度（或高度）太大，銑刀無法加工，后改成如圖6c所示的形狀，最終解決了模座超長問題。

不同類型鍛件的分類生產(chǎn)

圖5 優(yōu)化鍛件圖

圖4 試制鍛件加工出的零件

通過上述改進，我們將U形夾板花蘭鍛件的類型分為三種：A型（圖7a）、B型（圖7b）、C型（圖5）。最終選定規(guī)格M24、M30、M36（M42）采用B型鍛件，在3t模鍛錘上生產(chǎn)；規(guī)格M48、M56 (M64）采用C型鍛件，用鑲嵌模塊在5t模鍛錘上生產(chǎn)；規(guī)格M68(M76）、M80(M85）采用A型鍛件，在5t模鍛錘上用整體模鍛造。

圖6 模座

結(jié)束語

本文詳細地介紹了精密鍛造的U形夾板花蘭各種影響要素以及工藝設(shè)計的經(jīng)驗和原則，提出用先進方法進行精鍛工藝設(shè)計。在通用模鍛錘上只要對下料尺寸加以較嚴(yán)格的控制，配備合理的預(yù)鍛鑲嵌模膛，并對模具結(jié)構(gòu)上進行必要的改進，就能夠?qū)崿F(xiàn)U形夾板花蘭的錘上模鍛，提高了鍛件的精度，使U形夾板花蘭的鍛造水平提高了一步。

大規(guī)格鍛件用料從117kg減少到75.2kg的U形夾板花蘭，每件可節(jié)約金屬材料41.8kg，每1000件可節(jié)約材料41.8t，節(jié)材效益達15余萬元。再加上生產(chǎn)效率的提高，模具壽命的延長，人員的減少等等，就創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟效益。

圖7 鍛件分類