閉式鍛造工藝的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

文／張家全，張進(jìn)·南京汽車鍛造有限公司

閉式鍛造工藝的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

文／張家全，張進(jìn)·南京汽車鍛造有限公司

張家全，原南京汽車鍛造廠技術(shù)副廠長(zhǎng)，多年來(lái)一直從事技術(shù)研發(fā)工作，主持了曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、汽車前工字梁、70發(fā)動(dòng)機(jī)連桿等復(fù)雜鍛件和鍛模的設(shè)計(jì)工作，完成了依維柯汽車變速箱齒輪鍛件的閉式鍛造改進(jìn)工作，在閉式鍛造工藝方面做了深入的探索。

閉式鍛造具有材料利用率高、鍛件成形精度高的特點(diǎn)，一般應(yīng)用于回轉(zhuǎn)體零件尤其是齒輪毛坯的鍛造成形。汽車工業(yè)尤其是轎車工業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了熱精鍛、溫鍛和冷鍛工藝的發(fā)展。國(guó)內(nèi)目前汽車變速箱齒輪鍛件大都采用閉式鍛造工藝生產(chǎn)，部分采用冷鍛工藝生產(chǎn)，閉式鍛造工藝所采用的設(shè)備有熱模鍛壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)以及更高精度和效率的哈特貝爾高速熱鐓機(jī)，所生產(chǎn)的鍛件可直接上機(jī)加工線加工。

研究對(duì)象

乘用車市場(chǎng)的快速發(fā)展向鍛件生產(chǎn)企業(yè)提出了齒輪毛坯鍛造工藝的取向問(wèn)題，傳統(tǒng)的開(kāi)式模鍛工藝已逐步暴露出材料利用率低、鍛件精度不能滿足機(jī)加工大量生產(chǎn)的上線加工等問(wèn)題，尤其是新車型項(xiàng)目的變速箱齒輪已不可能再采用傳統(tǒng)的開(kāi)式模鍛工藝生產(chǎn)，因此閉式鍛造工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成為必然。

本文的研究對(duì)象是兩種乘用車變速箱的典型齒輪鍛件。

IVECO變速箱齒輪鍛件

IVECO變速箱齒輪鍛件基本上是普通級(jí)，單邊加工余量約2mm，鍛件先用普通機(jī)床粗加工后再上線加工。

轎車變速箱齒輪鍛件

轎車變速箱齒輪鍛件大部分為精密級(jí)，這部分齒輪鍛件精度要求較高，其單邊加工余量大部分為1mm，局部部位僅0.5mm，鍛造公差為。

前期分析

初步分析

目前IVECO和轎車兩個(gè)車型的變速箱齒輪中，有12個(gè)小型鍛件可采用閉式鍛造工藝生產(chǎn)，年需求量近40萬(wàn)件，而按照現(xiàn)有的工藝生產(chǎn)的話，每年將有近40t的原材料在鍛造過(guò)程中被浪費(fèi)掉，針對(duì)此問(wèn)題我公司制定了下列的工作目標(biāo)：

⑴研究開(kāi)發(fā)閉式鍛造模具結(jié)構(gòu)。

⑵研究開(kāi)發(fā)閉式鍛造工藝并用于批量生產(chǎn)，轎車變速箱齒輪鍛件不經(jīng)本廠機(jī)加工而直接上機(jī)加工線加工，從而實(shí)現(xiàn)降低材料消耗、提高鍛件精度、降低鍛件成本的目標(biāo)。

閉式鍛造工藝所需要的基本條件

⑴下料方面。

1）重量公差。由于閉式鍛造不產(chǎn)生飛邊，因此閉式鍛件的質(zhì)量對(duì)下料重量的變化十分敏感，一般其下料重量公差應(yīng)控制在坯料重量的±5%范圍內(nèi)。

2）端面斜度。過(guò)大的端面斜度將直接影響預(yù)制坯以及成形時(shí)鍛件周邊金屬體積的不均勻性，由此而造成鍛件周向局部縱向毛刺嚴(yán)重或局部充不滿，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生廢品，故一般要求下料端面斜度控制在1°以內(nèi)。

⑵模鍛設(shè)備方面。

模鍛設(shè)備除應(yīng)具有足夠的精度和打擊能量外還應(yīng)具備以下兩個(gè)條件：

1）頂料機(jī)構(gòu)必須具有足夠的頂料力、頂料行程和保持時(shí)間，以保證鍛件能順利地從模具型腔中頂出。

2）便捷的封閉高度調(diào)整。

工藝分析與試驗(yàn)情況

設(shè)備選擇

由瑞士哈特貝爾公司生產(chǎn)的高速鐓鍛機(jī)是一種高速、高精度的閉式鍛造生產(chǎn)設(shè)備，其價(jià)格昂貴，必須要有足夠的產(chǎn)量滿足其開(kāi)動(dòng)負(fù)荷，因此大多廠家采用熱模鍛壓力機(jī)或螺旋壓力機(jī)進(jìn)行閉式鍛造生產(chǎn)。

熱模鍛壓力機(jī)具有較高的精度，封閉高度調(diào)整靈活方便，可以設(shè)置多個(gè)型槽，有利于成形，具有上下頂料裝置，生產(chǎn)效率高。

螺旋壓力機(jī)價(jià)格便宜，有一定的精度，但國(guó)產(chǎn)螺旋壓力機(jī)大多沒(méi)有上頂料機(jī)構(gòu)。螺旋壓力機(jī)屬于非定行程設(shè)備，這就要求模具要具有封閉高度調(diào)整機(jī)構(gòu)，這樣才能達(dá)到控制模具型腔體積的目的。我公司進(jìn)口的意大利730t螺旋壓力機(jī)除沒(méi)有封閉高度調(diào)整機(jī)構(gòu)外，其他如精度、頂料機(jī)構(gòu)等都可以滿足閉式鍛造的要求，因此選擇730t螺旋壓力機(jī)作為此次閉式鍛造試驗(yàn)的主機(jī)。

工藝設(shè)計(jì)

⑴閉式鍛件圖的設(shè)計(jì)。

閉式鍛件圖需要在原會(huì)簽的供貨鍛件圖基礎(chǔ)上考慮閉式鍛造的特點(diǎn)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整：

1）分模線按閉式鍛造設(shè)計(jì)。

2）外形尺寸以供貨鍛件圖的公差尺寸為基本尺寸，考慮氧化皮和后續(xù)熱處理、拋丸處理后尺寸的變化作適當(dāng)調(diào)整(一般增加或減少0.4～0.5mm）。

3）除供貨鍛件圖特別注明外，外拔模斜度小于1°，內(nèi)拔模斜度采用2°。

⑵坯料的計(jì)算。

閉式鍛造的坯料需在鍛件圖的公差范圍內(nèi)能夠生產(chǎn)出合格的鍛件，也就是說(shuō)坯料的體積必須要滿足閉式鍛造時(shí)鍛件直徑方向尺寸最小、高度方向尺寸最大(新模具）和鍛件直徑方向尺寸最大、高度方向尺寸最小(老模具）這兩個(gè)條件。以圖1為例，坯料的體積應(yīng)按下式計(jì)算：

圖1 鍛件圖

在實(shí)際的下料過(guò)程中，坯料的體積是變化的，但是其變化值Δ坯(Δ坯=V坯max-V坯min）要控制在一個(gè)可能達(dá)到的合理范圍內(nèi)，坯料在這樣的一個(gè)波動(dòng)范圍內(nèi)需要滿足上述的兩個(gè)條件生產(chǎn)出合格的鍛件，因此為了滿足這個(gè)要求，必須：

而現(xiàn)實(shí)中按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)鍛件公差時(shí)，有時(shí)不能滿足上式要求，尤其是具有孔的鍛件，如果完全按照鍛件圖規(guī)定的公差值推算坯料體積，往往會(huì)出現(xiàn)下面的情況：

這時(shí)如果用一種下料重量要求組織生產(chǎn)，那么就會(huì)出現(xiàn)當(dāng)鍛件直徑方向尺寸還沒(méi)有達(dá)到最大值時(shí)，鍛件的高度方向尺寸已經(jīng)達(dá)到了負(fù)公差的情況。這就是本次試驗(yàn)中坯料計(jì)算的基礎(chǔ)。

⑶工藝要求。

1）下料。按重量控制下料，其重量控制范圍按長(zhǎng)度尺寸±0.5mm的當(dāng)量重量確定，對(duì)于鍛件重量較大的IVECO鍛件按長(zhǎng)度尺寸mm的當(dāng)量重量確定。

2）模鍛。模鍛成形工步前先鐓粗制坯，坯料在成形模膛內(nèi)的準(zhǔn)確定位是鍛件成形質(zhì)量的保證，鐓粗后的坯料直徑應(yīng)控制在比相應(yīng)的成形型腔尺寸小1mm的范圍內(nèi)，如圖2所示。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

⑴鍛模。

鍛模利用通用模架，設(shè)計(jì)通用上下模套。在上模套內(nèi)安裝上模以及一組封閉高度的調(diào)整墊片，通過(guò)更換不同厚度的調(diào)整墊片調(diào)整鍛模的封閉高度。下模的頂料機(jī)構(gòu)有兩種，如圖3所示。

A型結(jié)構(gòu)通過(guò)下頂桿推動(dòng)活動(dòng)下模將工件頂出下模，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，但鍛件中間連皮的設(shè)計(jì)位置不對(duì)稱，上模部分深，不利于成形初始階段的定位，且工件容易粘在活動(dòng)下模上。

B型結(jié)構(gòu)通過(guò)下頂桿推動(dòng)一組小頂桿再推動(dòng)環(huán)形頂出器將鍛件頂出下模，這種結(jié)構(gòu)可以頂出較深的孔，且鍛件中間連皮的設(shè)計(jì)位置可以根據(jù)需要上移。由于環(huán)形頂出器與下模芯是分離的，因此鍛件頂出下模后取件方便。但這種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造精度要求高，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整相對(duì)比較復(fù)雜。

⑵沖孔模。

為保證沖孔精度，同時(shí)模具的安裝操作方便，設(shè)計(jì)帶導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)的沖孔模，且沖頭盡量采用鑲塊結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)與測(cè)量

經(jīng)過(guò)初步分析，IVECO和轎車兩個(gè)系列車型的變速箱齒輪中有12個(gè)品種適合采用閉式鍛造工藝生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)分類選擇其中的5種典型件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)分3步，由單件到批量分步驗(yàn)證工藝和模具并經(jīng)過(guò)用戶機(jī)加工驗(yàn)證。

⑴不同下料方式的對(duì)比分析。

對(duì)IVECO倒擋惰輪和轎車五擋主動(dòng)齒輪各2000件批量生產(chǎn)中的隨機(jī)批量下料重量的抽查結(jié)果見(jiàn)表2、3，結(jié)果顯示：全自動(dòng)帶鋸床能滿足工藝所規(guī)定的要求。

以上兩種產(chǎn)品的原材料直徑均為φ50mm，其下料誤差隨著下料重量的增加而增大。

IVECO倒擋惰輪全自動(dòng)帶鋸床下料200件重量全部檢測(cè)結(jié)果表明，所下坯料的最大重量與最小重量之差為0.02kg，占規(guī)定下料重量的1.32%。

⑵鍛件尺寸的測(cè)量。

試驗(yàn)中對(duì)少量驗(yàn)證階段采用100%檢查下料重量和鍛件尺寸的方法，后期的批量生產(chǎn)階段采用抽測(cè)下料重量和批量檢查鍛件主要尺寸的方法，最終確定下料重量，并考察模具的磨損程度。

圖3 鍛模結(jié)構(gòu)圖

1）鍛件直徑方向尺寸的檢測(cè)。對(duì)每批鍛件的首末件的主要尺寸分別進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示：鍛件的主要磨損部位在上模和活動(dòng)下模的形成鍛件孔的模芯部位，而與上模接觸的下模的內(nèi)腔尺寸變化不大。經(jīng)過(guò)2000～4000件的生產(chǎn)，鍛件直徑方向尺寸的變化僅為0.1～0.3mm。

2）主要厚度尺寸的檢測(cè)。受下料重量和加熱溫度的影響，50～100件批量性抽測(cè)鍛件的主要厚度尺寸發(fā)現(xiàn)，5種鍛件的最大厚度與最小厚度尺寸波動(dòng)范圍為0.6～0.8mm。

3）同一鍛件厚度尺寸誤差的檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)同一鍛件厚度尺寸的誤差最大為0.4mm，此誤差主要受鐓粗制坯的坯料直徑與坯料在成形型槽中位置的影響。

⑶模具情況分析。

從每個(gè)零件經(jīng)過(guò)2000～4000件生產(chǎn)對(duì)鍛件尺寸測(cè)量的結(jié)果和鍛件成形過(guò)程中模具的受力情況分析看，在730t螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行閉式鍛造所需要的打擊能量?jī)H為設(shè)備所能提供的打擊能量的26%～30%。鍛模的主要磨損部位在上模與活動(dòng)下模中形成鍛件孔的模芯凸出部位，而下模型腔直徑方向的整體磨損并不嚴(yán)重，但是在下模上，上模與下模形成縱向毛刺的部位磨損較嚴(yán)重。倒擋惰輪試驗(yàn)用鍛模下模在累計(jì)生產(chǎn)4230件后檢查發(fā)現(xiàn)，該部位僅3/4圓周上有一條凹槽。從模具結(jié)構(gòu)上看，模具在鍛件的變形部位采用的是組合結(jié)構(gòu)，即由上模、下模(兩層鑲塊結(jié)構(gòu)）和活動(dòng)下模三個(gè)部分四塊組成，使用中可以根據(jù)不同的磨損程度和控制要求分別進(jìn)行更換和修理，因此其綜合壽命要比開(kāi)式鍛造模具高。

從試驗(yàn)情況看：模具參與變形的部位采用鑲塊結(jié)構(gòu)，材質(zhì)選用H13是比較合適的；上模與下模以及活動(dòng)下模與下模之間的間隙要合理，間隙太大，不利于導(dǎo)向，影響鍛件同軸度，且縱向毛刺嚴(yán)重，反之則影響模具的運(yùn)動(dòng)，上模與下模的間隙在0.15～0.20mm、活動(dòng)下模與下模的間隙在0.1～0.15mm比較合適。

■ 表1 IVECO倒擋惰輪全自動(dòng)帶鋸床所下合格坯料生產(chǎn)的鍛件厚度尺寸測(cè)量結(jié)果

■ 表2 IVECO倒擋惰輪下料重量隨機(jī)抽查結(jié)果

■ 表3 轎車五擋主動(dòng)齒輪下料重量隨機(jī)抽查結(jié)果

■ 表4 5種鍛件的閉式鍛造與開(kāi)式鍛造材料利用率的對(duì)比

綜合分析

⑴由于閉式鍛造不產(chǎn)生飛邊，故其材料利用率高，5種鍛件的閉式鍛造與開(kāi)式鍛造材料利用率的對(duì)比見(jiàn)表4。有的零件孔比較小，如五擋主動(dòng)齒輪，原來(lái)開(kāi)式鍛造時(shí)是先鍛出淺的盲孔，后再鉆通孔，采用閉式鍛造工藝后則可鍛出較深的孔而后直接沖出，不但取消了機(jī)加工，且下料重量減少，提高了材料利用率。

⑵經(jīng)用戶機(jī)加工驗(yàn)證，閉式鍛件的外觀質(zhì)量和同軸度明顯優(yōu)于開(kāi)式鍛件，鍛件精度滿足鍛件圖要求，機(jī)加工余量均勻，用戶反映好，尤其是轎車的幾種齒輪，用戶希望提供閉式鍛件。

⑶同一批鍛件的厚度差為0.6～0.8mm，差值比較大，這主要與下料重量誤差較大、鍛造溫度、設(shè)備及模具的彈性變形等因素有關(guān)，目前我公司只有一臺(tái)意大利的全自動(dòng)帶鋸床能用于閉式鍛造的下料，也只能達(dá)到目前的下料精度，因此從下料精度和下料能力的角度看有必要尋求高效率、高精度的下料設(shè)備。

⑷所選用的730t螺旋壓力機(jī)精度高，穩(wěn)定性好，打擊能量可調(diào)節(jié)，具有上下頂料機(jī)構(gòu)，頂出行程、頂出力和頂出速度能滿足閉式鍛造的工藝要求。

⑸從5種鍛件采用A型鍛模結(jié)構(gòu)進(jìn)行閉式鍛造生產(chǎn)的情況看，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可以滿足閉式鍛造的工藝要求，但操作中要保證下模的充分冷卻和潤(rùn)滑，否則工件會(huì)粘在活動(dòng)下模上，出模時(shí)要撬出鍛件，這樣會(huì)影響生產(chǎn)效率。五擋被動(dòng)齒輪和精鍛齒輪的閉式鍛造生產(chǎn)中采用過(guò)B型鍛模結(jié)構(gòu)，從使用情況看，鍛件頂出效果較好，取出方便，但安裝、調(diào)整和維修相對(duì)復(fù)雜。

⑹在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中要嚴(yán)格控制生產(chǎn)節(jié)拍，盡量避免二火料的出現(xiàn)，一次二火料的燒損幾乎相當(dāng)于下料公差，二火料的出現(xiàn)將影響鍛件的成形和厚度，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生廢品。

⑺生產(chǎn)過(guò)程中要充分冷卻和潤(rùn)滑下模，適當(dāng)?shù)乩鋮s和潤(rùn)滑上模，延緩下模的變形和磨損，使鍛件順利地出模。如果上模過(guò)度冷卻，將影響局部的成形充滿，尤其是上模帶凸臺(tái)的鍛件要充分注意這一點(diǎn)。

⑻受閉式鍛造頂出距離長(zhǎng)、冷卻潤(rùn)滑操作要求高以及工件出模、取出相對(duì)困難等因素的影響，閉式鍛造比開(kāi)式鍛造的實(shí)際生產(chǎn)效率低約10%，未來(lái)通過(guò)B型結(jié)構(gòu)模具的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等措施可進(jìn)一步改善和提高閉式鍛造的生產(chǎn)效率。不過(guò)相對(duì)開(kāi)式鍛造來(lái)說(shuō)，閉式鍛造有利的一點(diǎn)是不需要切邊工步。

⑼閉式鍛造模具采用組合鑲塊結(jié)構(gòu)，為模具報(bào)廢以后的修復(fù)、改制等提供了更大的空間。

⑽目前上下模及成形鑲塊采用H13鋼，硬度為48～51HRC，基本可以使用。在此基礎(chǔ)上對(duì)模具進(jìn)行氮化處理等表面強(qiáng)化方式，可以進(jìn)一步提高模具的使用壽命。

結(jié)束語(yǔ)

閉式鍛造工藝的應(yīng)用，提高了鍛件精度，節(jié)約了原材料，模具壽命得到了有效的提高，雖然生產(chǎn)效率略有下降，但綜合效益還是十分明顯的。