端蓋鍛造工藝改進(jìn)及模具設(shè)計

文/孫建華·山東礦機(jī)集團(tuán)萊蕪煤機(jī)有限公司

端蓋鍛造工藝改進(jìn)及模具設(shè)計

文/孫建華·山東礦機(jī)集團(tuán)萊蕪煤機(jī)有限公司

通過對端蓋鍛件優(yōu)化設(shè)計、鍛造工藝及模具改進(jìn)，最終生產(chǎn)出滿足用戶需求的鍛件產(chǎn)品，大大提高了該產(chǎn)品的材料利用率和質(zhì)量，降低了后續(xù)機(jī)加工工時及產(chǎn)品綜合成本。不僅滿足了市場需求，也增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場競爭力，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

端蓋是工程油缸關(guān)鍵部件，作業(yè)環(huán)境惡劣，產(chǎn)品質(zhì)里要求高，質(zhì)里穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品對施工安全起著非常重要的作用。但是，由于該產(chǎn)品市場容里大，配套廠家價格競爭激烈，只有“物美價廉”的產(chǎn)品才能適應(yīng)市場的需求并搶占市場先機(jī)，因此，選擇合適的鍛造工藝，生產(chǎn)出質(zhì)里優(yōu)、價格低的產(chǎn)品變得尤為關(guān)鍵。

產(chǎn)品特性分析

產(chǎn)品零件圖如圖1所示，凈重為31.5kg，材質(zhì)為35號鋼。從圖中可以看出該零件特點是：中間法蘭部分呈扁平長方形，面積大，厚度??；芯部盲孔直徑較大且深，總體形狀為薄壁筒狀的法蘭類產(chǎn)品。該產(chǎn)品屬于高深轂復(fù)雜類鍛件，成形難度較大。

根據(jù)市場調(diào)研反饋，該產(chǎn)品市場競爭激烈，確定鍛造工藝方案時不僅要考慮鍛件成本的問題，還要考慮下道機(jī)加工工序，在保證精加工尺寸的基礎(chǔ)上盡可能的減小加工余里，這樣才能保證生產(chǎn)出來的產(chǎn)品以較低的綜合成本參與較強(qiáng)的市場競爭。因此，合理的鍛件圖設(shè)計及鍛造工藝方案選擇尤為重要。

圖1 端蓋零件圖

原鍛造工藝方案

該零件原采用5t模鍛錘進(jìn)行鍛造，鍛件圖如圖2所示。鍛造工藝流程為：下料（帶鋸床）→加熱（天然氣加熱爐）→鍛造（5t模鍛錘）→切邊（315t閉式單點壓力機(jī)）。

圖2 原設(shè)計鍛件圖

圖3 改進(jìn)后的鍛件圖

采用該工藝生產(chǎn)出來的鍛件，鍛件重51.5kg，材料消耗為56.3kg，零件材料利用率為55.95%，鍛件拔模斜度較大，材料利用率偏低，不僅鍛件成本較高，同時還造成后續(xù)機(jī)加工加工余里大，特別是盲孔內(nèi)部大里的材料需要切削去除，不僅造成材料浪費(fèi)，還使機(jī)加生產(chǎn)效率大大降低，造成產(chǎn)品的綜合成本增加，缺乏市場競爭力。該產(chǎn)品投放市場以后，市場開拓遇到很大困難，產(chǎn)品銷售難以打開局面。

改進(jìn)后鍛造工藝方案

為提高材料利用率，降低成本以滿足市場需求，對該產(chǎn)品鍛造工藝進(jìn)行了徹底改進(jìn)，采用2500t摩擦壓力機(jī)擠壓工藝方案代替原5t模鍛錘鍛造工藝方案。鍛造工藝過程為：下料（帶鋸床）→加熱（天然氣加熱爐）→鐓粗（1t空氣錘）→鍛造（2500t摩擦壓力機(jī)）→切邊（315t閉式單點壓力機(jī)）。

改進(jìn)后的鍛件圖如圖3所示，主要作出以下改進(jìn)：

⑴將φ182mm位置尺寸外拔模斜度由5°減小至2°。

⑵內(nèi)孔深度由65mm增加至168mm，內(nèi)拔模斜度由10°減小至2°。

從圖3中可以看出，與原鍛件相比，改進(jìn)后的鍛件顯得精致而小巧，鍛件得到了顯著優(yōu)化。

模具設(shè)計改進(jìn)

為保證按圖3鍛件圖生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，結(jié)合摩擦壓力機(jī)的工作特性，產(chǎn)品成形特點，同時考慮模具壽命、成本、裝卸等因素，重新設(shè)計了鍛模，改進(jìn)后的模具設(shè)計如圖4所示。鍛模設(shè)計主要考慮以下幾個方面：

圖4 端蓋模具圖

⑴鍛模的結(jié)構(gòu)形式。

模具結(jié)構(gòu)形式采用組合式，上、下模模體為圓形鑲塊結(jié)構(gòu)，由上、下圓楔固定在上、下模座里；采用導(dǎo)柱進(jìn)行導(dǎo)向。

⑵沖頭與上模體采用組合式結(jié)構(gòu)，沖頭反裝鑲嵌在上模里。主要考慮以下因素。

1）沖頭受力狀況較差，工作時，既承受坯料反壓力的沖擊；又有可能受到由于坯料上表面不平整所產(chǎn)生的側(cè)向分力的作用；同時在沖頭進(jìn)入坯料內(nèi)部時要承受周圍高溫金屬的擠壓力，所有這些因素，將造成沖頭頭部鐓粗變形、表面磨損及裂紋、整體彎曲。這就要求沖頭具有很高的硬度及強(qiáng)度，因此，將其熱處理硬度設(shè)計為50～55HRC。

2）上模整體的硬度不能很高，否則會造成上模體早期損壞。將其熱處理硬度設(shè)計為40～45HRC。

3）由于沖頭惡劣的受力狀況，造成其更換及維修較為頻繁，組合式的上模設(shè)計使沖頭拆裝方便快捷，還可避免由于沖頭報廢而導(dǎo)致整個上模報廢，增加模具費(fèi)用，這樣設(shè)計既可大大延長模具壽命，又可降低模具費(fèi)用。

4）為減小鍛件盲孔加工余里，將沖頭外側(cè)斜度設(shè)計為2°；為了保證擠壓過程中金屬流動通暢，將沖頭底部圓角盡里大一些，設(shè)計圓角為R15.2mm。

⑶下模設(shè)計主要考慮以下幾個方面。

1）由于沖頭進(jìn)入坯料時，將其下部金屬向四周擠壓并向上流動，下模承受巨大的徑向張力，所以將下模鑲塊設(shè)計為整體結(jié)構(gòu)以增加其強(qiáng)度，并將其熱處理硬度設(shè)計為40～45HRC。

2）為防止坯料擠壓過程中隨沖頭一起被拔出下模，減小了下模型腔拔模斜度，以適當(dāng)增加坯料被拔出阻力，但是如果斜度太小，容易造成鍛件最終成形后脫模困難，所以綜合考慮，取拔模斜度2°。

3）為方便鍛件出模，下模設(shè)計一頂桿。在鍛件最終成形時快速將鍛件從下模模腔中頂出，防止鍛件快速冷卻粘在下模中無法取出，特別是在模具經(jīng)過一階段生產(chǎn)以后，下模型腔表面出現(xiàn)龜裂導(dǎo)致表面粗糙度降低時，鍛件出模阻力加大，頂桿的作用便愈加重要。如果鍛件嵌在下模內(nèi)無法脫離型腔，紅熱的鍛件使下模型腔表面溫度快速升高，導(dǎo)致模具表面硬度降低而造成早期失效報廢。

鍛造過程中主要注意的幾個問題

⑴下料。嚴(yán)格控制鋸切斷面質(zhì)里，確保斷面垂直度，傾斜度不大于1°。

⑵加熱。材料規(guī)格較大，如果加熱不透，將造成“外熱里冷”，即表面溫度達(dá)到始鍛溫度，但是芯部溫度達(dá)不到，芯部的塑性就會降低，結(jié)果造成沖頭穿入到坯料的內(nèi)部時，會遇到很大的阻力，加速沖頭的變形和磨損，造成早期報廢；更重要的是，由于芯部材料的塑性降低，流動性差，影響鍛件的最終成形。為防止這些情況發(fā)生，必須使坯料透熱，采取的措施是：加熱到900℃時保溫30分鐘，然后再繼續(xù)加熱到始鍛溫度，同時在加熱過程中，需翻動坯料，確保坯料加熱均勻。

⑶鐓粗。坯料終鍛前必須采取鐓粗工序，主要起到以下作用。

1）清除坯料表面氧化皮，防止氧化皮在鍛造過程中積聚到型腔底部，影響鍛件高度尺寸，同時降低坯料表面氧化皮對模具型腔表面磨損，降低模具壽命。

2）通過鐓粗使坯料上、下二鋸切斷面基本平行。防止沖頭因坯料上表面不平產(chǎn)生的側(cè)向分力的作用而造成彎曲變形，造成沖頭早期報廢。

3）由于下模型腔底部尺寸的確定是按鍛件尺寸φ182mm加放熱收縮率確定的，為φ184.7mm，而坯料加熱到始鍛溫度時尺寸約為φ182.7mm，如果坯料直接放入下模型腔內(nèi)，有可能偏移到型腔一側(cè)，在鍛造時會造成由于偏料導(dǎo)致料少的一側(cè)產(chǎn)生折疊缺陷。為了避免這樣情況發(fā)生，先將料鐓粗到最小直徑大于φ184.7mm，這樣坯料放入下模模腔時，實際上是懸在型腔里面的，下面稍有空隙，這樣就可以保證坯料是在下模腔的中心部位，避免上述情況的發(fā)生。

⑷成形。該鍛件成形特點是反擠壓成形，坯料在填充下模型腔底部后迅速反擠壓向上填充到上模型腔，這個過程中金屬流動劇烈，沖頭的工作環(huán)境尤為惡劣。

由于鍛件成形過程中，坯料溫度降低很快，當(dāng)沖頭深入到坯料底部時，沖頭周圍金屬將其緊緊包住，而沖頭外斜度只有2°，經(jīng)常出現(xiàn)沖頭被周圍金屬包住拔不出來的情況。因此，為了使成形過程中沖頭與周圍金屬迅速脫離，保持鍛件的完整成形，在坯料鐓粗放入下模型腔后，應(yīng)及時在坯料上平面中心部位撒上些煤粉，這樣沖頭壓入坯料內(nèi)部時，沖頭底部由于煤粉燃燒產(chǎn)生氣體使沖頭與金屬之間產(chǎn)生一層高壓“氣墊”，氣墊產(chǎn)生的反作用力，幫助沖頭快速拔出，防止坯料包住沖頭，降低沖頭的損壞幾率，延長其使用壽命，同時也降低了模具費(fèi)用。

改進(jìn)效果

鍛造工藝改進(jìn)以后，鍛件精化程度顯著提高，最終鍛件質(zhì)里達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，鍛件如圖5所示。鍛件重里45kg，材料消耗49.6kg。零件材料利用率為63.51%，比原工藝方案提高7.56%。單件節(jié)約材料6.7kg，大大降低了鍛件成本。

圖5 端蓋鍛件

鍛件精化程度提高，鍛件加工余里減小，下道機(jī)加工工序工時顯著降低，機(jī)加成本大大降低，生產(chǎn)效率顯著提高。同時，由于改進(jìn)后的鍛件成形過程中金屬變形程度較大，可以獲得更好的內(nèi)部組織，使得產(chǎn)品品質(zhì)大大提高。

經(jīng)過工藝改進(jìn)以后的產(chǎn)品由于其精致的外形，合理的價格，突出的質(zhì)里，投放市場以后迅速占領(lǐng)市場，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

結(jié)束語

端蓋屬于深孔薄壁筒類鍛件，成形的關(guān)鍵是孔的成形，采用普通模鍛工藝生產(chǎn)出來的產(chǎn)品機(jī)加工余里大，產(chǎn)品成本高，缺乏市場競爭力；利用摩擦壓力機(jī)的設(shè)備特點及優(yōu)勢，采用擠壓工藝生產(chǎn)該鍛件，具有加工余里小，精化程度高，產(chǎn)品成本低等特點，市場競爭優(yōu)勢明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。但是在模具設(shè)計以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)，應(yīng)注意以下幾點：

⑴下料要嚴(yán)格控制鋸切端面垂直度，傾角不超過1°。

⑵坯料加熱一定要熱透，加熱過程中要將坯料經(jīng)常翻動，且在900℃時保溫30min后繼續(xù)加熱到始鍛溫度。

⑶成形前要鐓粗，清理氧化皮，通過鐓粗保持坯料上下平面基本平行。

⑷成形過程中，坯料上平面芯部要撒適里煤粉，防止沖頭進(jìn)入坯料內(nèi)部時被坯料包住難以脫離。

⑸模具設(shè)計采用鑲塊組合式形式，沖頭倒裝在上模，以方便修復(fù)及更換。

⑹采用下頂料裝置，輔助鍛件快速脫模。