輪盤總成的液態(tài)模鍛工藝及模具設(shè)計(jì)

陳利華，李 順，王長順，李宏偉，李永梅，王 成，陳 泳

(1.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072；2.北京市特種車輛部件先進(jìn)制造與評估技術(shù)中心，北京 100072)

輪盤總成是裝甲車輛行動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)重部件，其質(zhì)量及性能直接影響整個(gè)行動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量和整體性能。根據(jù)輪盤的結(jié)構(gòu)特性，輪盤總成采用液態(tài)模鍛工藝成形。液態(tài)模鍛模具是精密、高效和長壽命模具，其對提高生產(chǎn)效率、降低成本和提高質(zhì)量等方面具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。本文介紹的輪盤總成液態(tài)模鍛模具設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的實(shí)例。

1 輪盤總成結(jié)構(gòu)特性

輪盤總成由鋼制耐磨圈和鋁合金負(fù)重輪基體鑲鑄而成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。產(chǎn)品性能要求為抗拉強(qiáng)度Rm≥340 MPa，延伸率δ≥5%，硬度≥110 HBW；尺寸精度為±2 mm。

圖1 輪盤總成圖

2 輪盤總成液態(tài)模鍛工藝分析

液態(tài)模鍛是一種介于鑄造和模鍛之間的金屬成形工藝，是使注入模腔的金屬在高壓下凝固成型，然后施加機(jī)械靜壓力，利用金屬鑄造凝固成型時(shí)易流動(dòng)和鍛造技術(shù)使已凝固的封閉硬殼進(jìn)行塑性變形，使金屬在壓力下結(jié)晶凝固并強(qiáng)制消除因凝固收縮形成的縮孔，以獲得無任何鑄造缺陷的液鍛件[1-2]。

普通鑄造法生產(chǎn)輪盤總成強(qiáng)度低，不能保證輪盤總成的力學(xué)性能要求；普通鍛造工藝生產(chǎn)輪盤總成雖然成形質(zhì)量高，但是設(shè)備需用噸位大，制件的成品率低，生產(chǎn)效率低，同時(shí)普通鍛造工藝生產(chǎn)的輪盤總成機(jī)械加工量大，成本消耗多[3]。采用液態(tài)模鍛生產(chǎn)輪盤總成，具有如下優(yōu)勢。

1)液態(tài)模鍛件具有優(yōu)良的組織性能。同常規(guī)鑄造件相比，液態(tài)模鍛件的力學(xué)性能有大幅度的提高，它可以消除制件內(nèi)部的氣孔、縮孔和疏松等缺陷，使制件在壓力下產(chǎn)生局部塑性變形，形成致密組織[4]。在液態(tài)模鍛成型過程中，熔融的金屬液在壓力作用下發(fā)生結(jié)晶并快速凝固，晶粒得到了細(xì)化，組織變得均勻，這是液態(tài)模鍛件力學(xué)性能高于普通鑄件的主要原因。在較高壓力下，液態(tài)模鍛件的力學(xué)性能甚至可以達(dá)到同種合金的鍛件水平，而且不出現(xiàn)鍛件組織的各向異性。

2)液態(tài)模鍛件的材料利用率高。液態(tài)模鍛件具有較好的表面粗糙度和尺寸精度，減少了材料浪費(fèi)和機(jī)械加工成本浪費(fèi)。某型號鋁合金負(fù)重輪盤總成毛坯原采用普通鍛造工藝生產(chǎn)，單件質(zhì)量約為30 kg，改為液態(tài)模鍛工藝生產(chǎn)后，單件質(zhì)量僅為20.5 kg。

3)液態(tài)模鍛是在壓力機(jī)上進(jìn)行的，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善生產(chǎn)環(huán)境。

4)液態(tài)模鍛兼具鑄造的特性，在成形過程中，鋼制耐磨圈可鑲鑄在鋁合金輪盤總成內(nèi)側(cè)，提高了輪盤總成耐磨性能。

根據(jù)上述分析，采用液態(tài)模鍛工藝生產(chǎn)輪盤總成是最優(yōu)工藝。

3 液態(tài)模鍛模具設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

設(shè)計(jì)要求承載組裝的成型模具能夠承受1 900 t壓力而不發(fā)生變形；成形型腔能夠承受100 MPa壓強(qiáng)而不斷裂；模具壽命能夠滿足3 000套工件生產(chǎn)。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 輪盤總成模具裝配圖

3.2 模具設(shè)計(jì)特點(diǎn)

基于液態(tài)模鍛工藝成形輪盤總成結(jié)構(gòu)的特殊性，模具設(shè)計(jì)包括下模整體內(nèi)腔收縮率設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、下模頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、間隙設(shè)計(jì)(耐磨圈間隙、上模間隙、下模間隙)、上下模整體承載保護(hù)(上模承載保護(hù)、下模承載保護(hù))和上模復(fù)合加載等。

3.2.1 下模型整體內(nèi)腔收縮率設(shè)計(jì)

隨著生產(chǎn)過程模具溫度的變化，下模型結(jié)構(gòu)尺寸將發(fā)生改變，型腔會(huì)隨著溫度的升高而膨脹。為保證制件尺寸始終在合格公差范圍內(nèi)，模具收縮率設(shè)計(jì)為1.2%。

3.2.2 模具材料設(shè)計(jì)

輪盤總成毛坯成型過程需要壓力為1 600～1 800 t,所有力將全部作用于下模總成，因而要求下?？偝稍O(shè)計(jì)具備足夠的強(qiáng)度。上、下模在使用過程中反復(fù)受到740 ℃以上的高溫和冷卻液的冷、熱沖擊，模具表面很容易出現(xiàn)龜裂甚至開裂，因而要求上、下模材料能夠耐受長時(shí)間的高溫?；诔休d和耐高溫要求，輪盤總成模具材料選用4Cr5MoSiV1高強(qiáng)度耐高溫模具鋼。上、下模外套需要具備高的強(qiáng)度和耐熱性，因而設(shè)計(jì)材料為4Cr5MoSiV1耐熱模具鋼。碟簧材料選用彈簧鋼；拉桿螺栓由于在生產(chǎn)過程中上、下模具分開時(shí)，需具備很大的抗拉強(qiáng)度，因此材料選用38CrSi；其他零件材料為45號鋼。

3.2.3 下模型頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

油壓機(jī)上滑塊沒有頂出裝置，頂出裝置只能設(shè)置在下模型。根據(jù)模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制件需平穩(wěn)頂出的要求，在下模型φ190 mm位置設(shè)置了4件φ74 mm的頂桿(見圖2)，頂桿配合間隙為0.1 mm。

3.2.4 間隙設(shè)計(jì)

1)耐磨圈放置間隙設(shè)計(jì)。生產(chǎn)過程中模具溫度變化很大，型腔尺寸隨著溫度的變化而發(fā)生改變，耐磨圈的放置間隙設(shè)計(jì)不合理將造成耐磨圈浮動(dòng)或難以裝配。經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)，確定耐磨圈放置間隙為0.5 mm。

2)下模與下模外套配合間隙設(shè)計(jì)。下模外套隨著生產(chǎn)過程模具溫度的變化，下模與下模外套配合間隙發(fā)生改變，間隙過大將造成擠壓過程液體溢出；間隙過小造成合模、脫模困難，無法進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。經(jīng)過膨脹計(jì)算和試驗(yàn)，并考慮到加工精度，最終確定下模與下模外套配合間隙為0.23～0.28 mm。

3)上模與上模外套配合間隙設(shè)計(jì)。隨著生產(chǎn)過程中模具溫度的變化，上模與上模外套配合間隙發(fā)生改變，間隙過大造成液體擠壓進(jìn)入配合面使配合面滑動(dòng)困難；間隙過小造成配合面無法進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)，難以進(jìn)行實(shí)際操作。經(jīng)過膨脹計(jì)算和試驗(yàn)，并考慮加工精度，最終設(shè)計(jì)確定上模與上模外套配合間隙為0.23～0.28 mm。

3.2.5 上、下模承載設(shè)計(jì)

為保證上模型整體承載能力滿足使用需求，設(shè)計(jì)45號調(diào)質(zhì)鋼輔助增強(qiáng)模板和相同材質(zhì)的墊板，輪廓尺寸分別為1 150 mm×1 000 mm×120 mm和1 500 mm×1 000 mm×120 mm。輪盤總成毛坯成形過程需要壓力為1 600～1 800 t,所有力將全部作用于下?？偝桑笙履？偝稍O(shè)計(jì)具備足夠的強(qiáng)度。為滿足使用要求，下模材料采用高強(qiáng)度耐高溫模具鋼4Cr5MoSiV1，厚度為120 mm。

3.2.6 上模復(fù)合加載設(shè)計(jì)

復(fù)合加載方式是通過調(diào)節(jié)碟簧的彈性變形量來控制對制件直壁的補(bǔ)縮量。加載前，通過拉桿螺栓調(diào)整碟簧的預(yù)緊量。當(dāng)調(diào)整預(yù)緊量使內(nèi)上模與上模墊板接觸時(shí)，組合上模相當(dāng)于簡單加載時(shí)的整體上模。

調(diào)整碟簧的預(yù)緊量，使內(nèi)沖頭離開上模墊板一定的距離S，在這種狀態(tài)下進(jìn)行加載成型，上模下行，內(nèi)沖頭碟簧力的作用下使金屬充滿型腔，在負(fù)重輪盤總成直壁處充滿金屬的高度較零件設(shè)計(jì)尺寸高出S，繼續(xù)加壓，底部開始凝固，內(nèi)沖頭趨于靜止，碟簧產(chǎn)生壓縮變形，這時(shí)外沖頭相對內(nèi)沖頭向下移動(dòng)，壓力機(jī)的總壓力除克服碟簧力，剩余壓力全部作用在制件正在凝固的直壁處，使其在壓力下凝固；同時(shí)將壓力傳遞到最后凝固區(qū)熱節(jié)處，在加壓的同時(shí)，將充填時(shí)直壁多出S高度的金屬補(bǔ)縮給直壁和熱節(jié)處。通過對直壁和熱節(jié)處的局部加載和補(bǔ)縮，并產(chǎn)生一定量的塑性變形，可以提高制件整體致密度和凝固的均勻性，從而提供制件的力學(xué)性能。S為補(bǔ)縮量。

4 輪盤總成生產(chǎn)驗(yàn)證

4.1 輪盤總成尺寸及外觀檢查

經(jīng)檢測，輪盤總成尺寸及外觀完全符合要求，外觀如圖3所示。

圖3 輪盤總成

4.2 理化試驗(yàn)

1)制件本體取樣檢測性能，取樣位置如圖4所示。檢測結(jié)果：Rm平均值為360 MPa，δ=7%，硬度為120 HBW,符合圖樣要求。

圖4 本體解剖樣件

2)本體低倍組織如圖5所示，符合液態(tài)模鍛工藝成形組織特征。

圖5 本體低倍組織

3)高倍組織如圖6所示，組織均勻。

圖6 本體高倍組織

5 結(jié)語

該液態(tài)模鍛模具生產(chǎn)的毛坯尺寸符合圖樣要求；毛坯本體解剖性能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；模具強(qiáng)度能夠承受使用和擠壓壓強(qiáng)；模具間隙設(shè)計(jì)合理，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。綜上所述，液態(tài)模鍛輪盤總成模具設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)的毛坯可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

[1] 上海交通大學(xué)鍛壓研究組.液態(tài)模鍛[M].北京：國防工業(yè)出版社，1981.

[2] 王長順，李宏偉，陳利華，等.特種車輛新型高強(qiáng)韌鋁合金負(fù)重輪液態(tài)模鍛工藝成型研究[J].新技術(shù)新工藝，2013(7)：88-90.

[3] 羅守靖，陳炳光，齊丕驤.液態(tài)模鍛與擠壓鑄造技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4] 趙恒義，周天西，袁燕.液態(tài)模鍛工藝及發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2000(2):45-47.