耳軸鍛件成形工藝的研究與應用

文/張娜娜，胡志高，白孝俊，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

耳軸鍛件成形工藝的研究與應用

文/張娜娜，胡志高，白孝俊，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

材料為1E0028的耳軸產(chǎn)品最大直徑為φ273mm.最大高度為216.2mm.是我公司為某工程機械公司生產(chǎn)的產(chǎn)品.該產(chǎn)品用在履帶式推土機上.要求有較高的強度.熱處理方式為正火和調(diào)質(zhì).調(diào)質(zhì)后硬度在269～320HB之間.該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜.屬于深孔薄壁類產(chǎn)品.可鍛性較差（圖1）。本文依據(jù)我公司生產(chǎn)的實際情況.以250耳軸為開發(fā)對象.研發(fā)了一種新型的模鍛工藝.目前該產(chǎn)品在模鍛錘上實現(xiàn)了批里生產(chǎn)。

圖1 耳軸成品圖

模鍛工藝成形分析

選擇模鍛方式

在進行工藝分析時.根據(jù)鍛件的形狀我們有兩種選擇：一種是將中心填充.這樣工藝性較好.通過簡單預鍛后終鍛或者直接終鍛就可以鍛出.但鍛件重里將達到52kg.且中心填充部分隨后還得通過機加工加工出來.生產(chǎn)周期較長.生產(chǎn)成本較高；另一種選擇是中間空心部分采取工藝改進后直接鍛出.這樣工藝性變差.但鍛重減輕到41.6kg.大大降低了生產(chǎn)成本.提高了材料利用率。我們選擇了第二種鍛造工藝.最終鍛件尺寸確定為盤部直徑為φ280mm.桿部直徑為φ126mm.高度為225.2mm.拔模斜度在5?！?。之間（圖2）。根據(jù)鍛件圖最終結(jié)構(gòu).得到如下三種工藝方案。

圖2 耳軸鍛件

⑴直接模鍛。采用直接終鍛生產(chǎn)此類鍛件.這種方式經(jīng)濟實惠.生產(chǎn)效率高.鍛件表面質(zhì)里好。但由于上模有個凸出的錐形.在鍛打過程中會讓金屬快速向四周流動.從而導致鍛件充不滿、產(chǎn)生折紋.通過DEFORM模擬也發(fā)現(xiàn)了這種方式存在很大的問題。

⑵制坯+終鍛。由于該產(chǎn)品屬于大盤細桿類鍛件.先使用大料把桿部通過自由鍛拔出來.然后再在錘上完成終鍛.這種方式的優(yōu)點是桿部流線較好.終鍛時所需設備噸位小.缺點是采用了兩火鍛造.鍛件表面質(zhì)里較差.且需要一臺制坯設備.由于中間坯直徑差異太大.無法在中頻感應爐上加熱.直接導致生產(chǎn)成本增加.在經(jīng)過多次生產(chǎn)成本核算后.我們公司舍棄了該方案。

⑶預鍛+終鍛。棒料經(jīng)過中頻感應爐加熱后.在模鍛錘上完成預鍛、終鍛.這種方式生產(chǎn)的鍛件表面質(zhì)里好.生產(chǎn)效率較高。我們選定這一方案.并將該坯料放在10t模鍛錘生產(chǎn)線上進行生產(chǎn).產(chǎn)品各方面滿足要求。

鍛模結(jié)構(gòu)設計

鍛件的結(jié)構(gòu)導致我們在鍛件最終成形時只能把桿部放在下模.預鍛（桿部向上）后將坯料翻轉(zhuǎn)180。放入終鍛型腔（桿部向下）.鍛模包含預鍛型腔、終鍛型腔及鎖扣.如圖3所示。

⑴預鍛工步設計。

預鍛型腔的設計對最終成形至關(guān)重要.預鍛不僅要預先分配好金屬并去除毛坯表面的氧化皮.還得考慮解決終鍛時桿部不易充滿、鍛件折紋、折疊等問題.并應盡可能提高材料利用率。為了使坯料分配均勻并便于操作工操作.我們在錘鍛模左前端設計了一個預鍛型腔。預鍛型腔下模設計出一個深度約5mm的凹槽.凹槽直徑和熱坯料直徑一樣.凹槽邊緣采用大圓角過渡.便于坯料定位且不影響后續(xù)終鍛.操作工可以很方便地將加熱后的坯料放在定位凹槽中.而不用來回擺放坯料。坯料采用高速帶鋸或者圓鋸床下料.端面斜度控制在2mm以內(nèi)。預鍛型腔上模設計出凹槽.凹槽形狀和終鍛桿部形狀一樣.直徑方向尺寸減少約0.5mm.目的是在預鍛時就預先成形一部分桿部形狀.不僅便于終鍛操作定位.也可有效地解決終鍛后桿部充不滿的問題。為了便于終鍛成形.預鍛后坯料應比終鍛后坯料高約15mm.設計好的預鍛型腔如圖4所示。

圖3 錘鍛模型腔排布圖

圖4 預鍛型腔設計

⑵終鍛工步設計。

通常對于桿部不易充滿的鍛件.設計終鍛模時會考慮把桿部加長2～5mm.避免因桿部充不滿而造成廢品。但如果有預鍛.就不用加長桿部；鍛模橋部按照《鍛工手冊》的要求來設計.由于在預鍛時坯料定位較好.預鍛后坯料變形均勻.同時設計了環(huán)狀阻力臺.可以有效地提高材料利用率及鍛件填充效果；設計時使用圓形鎖扣能有效控制鍛件錯移.且避免了生產(chǎn)時反復調(diào)整模具；同時.我們在橋部位置設計了兩個取件槽.如果出現(xiàn)鍛件不好取出.操作工可通過取件槽解決此問題。

切邊模設計

切邊模設計按照正常設計即可.桿部向下.沖頭可簡化設計.在沖頭上設置去飛邊槽.便于去掉切邊后的飛邊.也可以通過適當增加沖頭和凹模的間隙來避免飛邊卡死在沖頭上.該產(chǎn)品的間隙設計為2mm。凹模刃口直徑可以和分模面的輪廓直徑一樣.也可根據(jù)切邊帶寬的要求適當縮小.該產(chǎn)品就在分模面輪廓直徑的基礎上減少了0.7mm.經(jīng)實際生產(chǎn)驗證發(fā)現(xiàn)切邊后大盤外輪廓較平整.且?guī)缀鯚o殘余毛刺.設計完的切邊模示意圖如圖5所示。

圖5 切邊模示意圖

工藝仿真模擬分析

為了降低開發(fā)成本.我們采用了DEFORM軟件對工藝方案進行了模擬驗證.確定了本工藝方案理論上的可行性.同時我們還確定了準確的工藝用料尺寸。圖6是預鍛模擬結(jié)果.模擬過程中金屬分配均勻.無折紋、折疊出現(xiàn)。圖7是終鍛模擬結(jié)果.模擬過程中金屬流動穩(wěn)定.沒有出現(xiàn)折紋、折疊等現(xiàn)象。

圖6 預鍛模擬

圖7 終鍛模擬

生產(chǎn)過程需要注意的事項

鍛件（圖8）生產(chǎn)出來后.通過正火和調(diào)質(zhì).簡單車削并進行局部感應淬火強化后就完成成品的機加工工序.在生產(chǎn)過程中應注意以下5點：

⑴鍛打時.坯料立起來放在預鍛定位凹槽后應注意看坯料是否偏斜.如果由于下料設備精度不夠?qū)е露嗣嫘倍冗^大的話就會出現(xiàn)偏斜.此時操作工需要用鉗子夾住坯料調(diào)整一下.盡里讓坯料豎直.然后才能輕錘預鍛.不然鐓粗后坯料可能分配不均影響終鍛充滿的情況。

⑵為了便于鍛件出模.應保證對模具做到一件一潤滑.我廠使用鋸末作為脫模劑.能在下模型腔里面形成壓力使鍛件更容易出模.但如果鍛件下模桿體部分充不滿.應盡里避免選用會產(chǎn)生較多氣體的脫模劑。

圖8 耳軸鍛件

⑶由于鍛模上模凸出部分是倒錐形.磨損速度會比其他地方快.除了每次潤滑冷卻外.應每班使用樣板檢測一次.如磨損超出可接受范圍.應及時修復。

⑷首次生產(chǎn)時應按照一定比例對鍛件進行熒光磁粉探傷確認是否存在折紋、折疊等缺陷.工藝穩(wěn)定后可取消探傷工藝。

⑸桿部和大盤連接部分由于加工余里稍大.如果淬火層深不夠.可先進行粗加工然后再調(diào)質(zhì).這樣可以提高鍛件調(diào)質(zhì)后的強度。

結(jié)束語

經(jīng)過我公司批里化生產(chǎn)的檢驗.這種“定位預鍛制坯+終鍛成形”的工藝方案非常適用于深孔薄壁類鍛件的生產(chǎn).該工藝材料利用率較高.鍛件流線符合要求.質(zhì)里穩(wěn)定.外觀較好.無充不滿、折紋、折疊等缺陷.通過進一步完善.目前我廠已經(jīng)推廣應用到了267、9C等多個類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品上.并且已經(jīng)實現(xiàn)了批里化生產(chǎn)。

張娜娜.工程師.目前主要從事產(chǎn)品工藝管理及大型鍛件模鍛工藝的設計工作。