某托輪精鍛件的模具優(yōu)化設(shè)計(jì)與鍛造模擬

文／張新東，孫奉亮，張開舉·山推工程機(jī)械股份有限公司履帶底盤事業(yè)部

某托輪精鍛件的模具優(yōu)化設(shè)計(jì)與鍛造模擬

文／張新東，孫奉亮，張開舉·山推工程機(jī)械股份有限公司履帶底盤事業(yè)部

張新東，黨委書記、副總經(jīng)理，主持完成了多個(gè)鍛件新產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)線設(shè)備大修及改造項(xiàng)目，其中MP4000/400t熱模鍛壓力機(jī)的大修、搬遷、調(diào)試項(xiàng)目獲得山推工程機(jī)械股份有限公司科技成果一等獎(jiǎng)。

精鍛技術(shù)具有優(yōu)化產(chǎn)品制造工藝流程和提高產(chǎn)品附加值的特點(diǎn)，逐漸替代了傳統(tǒng)鍛造工藝，成為鍛造行業(yè)技術(shù)升級(jí)與產(chǎn)品革新的基礎(chǔ)與支撐。就精鍛技術(shù)的工藝難度和重要性而言，模具設(shè)計(jì)開發(fā)首當(dāng)其沖。本文以我公司鍛造生產(chǎn)的某托輪為例，基于托輪精鍛鍛件設(shè)計(jì)，根據(jù)壓扁→預(yù)鍛→終鍛的鍛造工藝流程進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，再通過鍛造模擬進(jìn)行分析，反過來優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，從而確保了各工藝流程中模具設(shè)計(jì)的合理性，最后進(jìn)行了實(shí)際鍛造，驗(yàn)證了模具設(shè)計(jì)的合理性，最終實(shí)現(xiàn)了托輪精鍛。

托輪精鍛模具設(shè)計(jì)

托輪精鍛設(shè)計(jì)

輪體精鍛設(shè)計(jì)是根據(jù)輪體零件的形狀尺寸，將所需機(jī)加工量、鍛造飛邊與鍛造連皮等余量與零件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。非精鍛輪體的材料利用率在70%～80%，其設(shè)計(jì)方法是按照鍛件全加工的方式進(jìn)行，所以對后續(xù)加工要求比較繁瑣，增加了后續(xù)機(jī)加工的工作量，降低了產(chǎn)品制造效率，延長了制造周期。精鍛輪體是基于該部件形狀特點(diǎn)與后續(xù)加工方法及其在使用過程中的實(shí)際情況，確定后續(xù)加工面與非加工面，非加工面不附加加工余量，鍛造后不再進(jìn)行機(jī)械加工，直接裝機(jī)使用，其鍛造材料利用率在90%以上。

托輪坯料與壓扁模具設(shè)計(jì)

在坯料體積確定之前，必須先確定精鍛件連同飛邊與連皮的重量或者體積。此外還需注意氧化皮的損耗，在感應(yīng)加熱和重復(fù)加熱中氧化皮的損耗大約是2%。根據(jù)棒料體積與精鍛件半徑來確定坯料半徑，設(shè)計(jì)出合理的坯料尺寸。

壓扁模具的設(shè)計(jì)與坯料壓扁后的高度緊密相關(guān)，既要保證坯料壓扁后在預(yù)鍛型腔中不會(huì)過早形成飛邊，導(dǎo)致預(yù)鍛型腔出現(xiàn)填充不良的現(xiàn)象，又要保證坯料壓扁后不會(huì)因?yàn)樽冃瘟窟^小，而使氧化皮去除不良造成氧化皮粘件。基于精鍛件高度尺寸合理確定坯料壓扁后的高度和坯料變形量，再根據(jù)上下模座的閉合高度計(jì)算出壓扁模具的尺寸。

預(yù)鍛與終鍛模具設(shè)計(jì)

托輪的預(yù)鍛模具型腔是承接壓扁與終鍛型腔的過渡形態(tài)，所以它的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到終鍛件的成形。在設(shè)計(jì)預(yù)鍛型腔時(shí)，將過渡圓角做大以利于終鍛型腔內(nèi)高溫金屬的流動(dòng)；整體型腔高度尺寸加大，徑向尺寸減小，以利于上下模腔底部的填充。在設(shè)計(jì)預(yù)鍛模具時(shí)，分模面與終鍛型腔分模面一致，保證終鍛型腔內(nèi)金屬流動(dòng)的合理性；拔模斜度在模具底部難以填充的部位要加大，以利于高溫金屬的流動(dòng)與型腔的填充；連皮做大，以便于儲(chǔ)存坯料，防止坯料過多流出造成終鍛型腔填充不良，而形成鍛件缺肉。

托輪終鍛模具型腔是在精鍛件的基礎(chǔ)上直接轉(zhuǎn)化而來的。終鍛模具型腔的設(shè)計(jì)與精鍛件基本一致，只不過精鍛件尺寸是室溫環(huán)境下的，而熱鍛件尺寸是鍛造溫度下的，所以精鍛件的設(shè)計(jì)已經(jīng)將終鍛型腔基本定形。飛邊與連皮的設(shè)計(jì)尺寸是影響型腔填充與模具壽命的重要因素，橋口間隙與連皮厚度過小而橋口寬度過大時(shí)，金屬不易向外流出，造成模腔壓力過大，加速模具的老化；橋口間隙與連皮厚度過大而橋口寬度過小時(shí)，金屬向外流動(dòng)迅速，易造成形腔填充不良，鍛件缺肉。頂料機(jī)構(gòu)的上下頂桿頂出面設(shè)計(jì)在連皮上下面上，頂桿端頭尺寸與上下模鑲塊頂桿孔端頭的尺寸單邊相差0.5mm。

鍛造模擬

為了驗(yàn)證精鍛件模具設(shè)計(jì)的合理性，利用鍛造模擬軟件對托輪的鍛造過程進(jìn)行了模擬。先將坯料與壓扁、預(yù)鍛、終鍛進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，然后將三維造型導(dǎo)入到模擬軟件中，按照壓扁、預(yù)鍛到終鍛的工藝流程順序?qū)δM進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，生成相關(guān)文件再進(jìn)行模擬運(yùn)算。

鍛造模擬前處理中相關(guān)參數(shù)設(shè)置都盡量與實(shí)際鍛造一致。這些參數(shù)包括工件的材料、性質(zhì)、網(wǎng)格劃分與加熱溫度、上下模具預(yù)熱溫度、主模具運(yùn)動(dòng)參數(shù)值以及模擬控制中的模擬步數(shù)及步長，上下模具與工件接觸面的公差參數(shù)、摩擦系數(shù)以及熱傳遞等。圖1為壓扁的鍛造模擬過程。從圖1中可以看出隨著壓扁過程的進(jìn)行，坯料逐步進(jìn)行鐓粗變形，隨著變形量的增大，坯料鼓肚也逐漸增大。

圖2為預(yù)鍛過程中坯料在模具型腔中的變形過程。從圖2中可以看出，壓扁完成后的鍛坯放置在預(yù)鍛模具上，坯料底面是平面，所以在放置時(shí)如果機(jī)械手調(diào)整的精確度不好易造成坯料傾斜，容易鍛偏產(chǎn)生廢件。隨著上模下壓移動(dòng)，上下模型腔的充填開始加速，但是下模型腔的填充速度快于上模的填充，到126步時(shí)下模型腔已經(jīng)基本填充完畢，上模型腔還未填充完全，但是飛邊已經(jīng)形成，這樣就沒有給終鍛留下足夠的坯料填充模具型腔，從而最終造成鍛件缺肉。

圖1 壓扁鍛造模擬過程

圖2 預(yù)鍛鍛造模擬過程

圖3 終鍛鍛造模擬過程

圖3為終鍛過程中鍛坯在模具型腔中的變形過程。從圖3中可以看出，預(yù)鍛完成后的坯料在終鍛型腔中較易放置，其主要填充部位就是型腔底部。終鍛時(shí)，隨著上模的下壓移動(dòng)，上下模都在填充，但是跟預(yù)鍛鍛造過程一樣，下模型腔中坯料的填充速度快于上模型腔的填充速度。最后隨著上下模具的閉合，下模型腔填充完全，而上模型腔底部未被坯料充滿，同時(shí)由于預(yù)鍛中飛邊的形成過早，造成了終鍛成形后鍛件的飛邊過大。

模擬分析與模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)鍛造模擬過程中坯料的變形以及上下模型腔的填充情況來看，主要有三方面的問題：⑴由于預(yù)鍛和終鍛上模型腔的特殊性，使得鍛造過程中坯料在上模型腔較難填充，上模的填充速度明顯慢于下模；⑵由于在預(yù)鍛過程中飛邊過早形成導(dǎo)致了鍛件終鍛后飛邊過大，以及由上模型腔填充不良而造成的鍛件缺肉；⑶坯料在預(yù)鍛型腔中較難準(zhǔn)確放置定位的問題。此時(shí)坯料在預(yù)鍛模具型腔中的定位主要靠鼓肚與型腔側(cè)壁的接觸來實(shí)現(xiàn)，如果加大坯料的鼓肚很顯然就得增大壓扁的變形量，這就使得飛邊的形成過早，更不利于預(yù)鍛與終鍛中上模型腔的填充。由于預(yù)鍛中飛邊形成過早的問題還需要減小壓扁的變形量，從而一定程度上延緩飛邊過早形成。

縱觀模擬全過程，預(yù)鍛是關(guān)鍵，預(yù)鍛中坯料的變形情況是決定鍛件成形的關(guān)鍵因素，所以首先要優(yōu)化預(yù)鍛模具?；谏夏Ｐ颓惶畛漭^難，所以預(yù)鍛模具的優(yōu)化就是對預(yù)鍛上模進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)鍛上模型腔猶如一個(gè)倒置的喇叭口，拔模斜度與圓角尺寸越小，坯料越難填充，所以要通過加大拔模斜度與圓角尺寸來解決上模型腔填充問題，將拔模斜度增大到6°，過渡圓角增大到R30mm?；陬A(yù)鍛飛邊形成過早，應(yīng)通過減小飛邊上下模橋口間隙和加大連皮尺寸的方法來限制坯料的流出和存儲(chǔ)坯料以備后用。基于壓扁坯料在預(yù)鍛型腔中定位不穩(wěn)，預(yù)鍛上模型腔填充不良，通過放棄平砧模具改用帶型腔模具的方式將預(yù)鍛上下模型腔中一部分坯料變形在壓扁過程中形成，這樣既能使壓扁坯料穩(wěn)定放置又利于預(yù)鍛上模型腔的填充。

優(yōu)化后的過程模擬與實(shí)際驗(yàn)證

鍛造過程模擬

在模具優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，又對坯料在新模具型腔中的變形過程進(jìn)行了鍛造模擬。隨著上模的下壓移動(dòng)，鍛坯在型腔內(nèi)開始變形，到達(dá)第60步時(shí)，型腔已經(jīng)基本填充完畢。壓扁完成后的鍛坯放置在預(yù)鍛模具上，上模的坯料已經(jīng)幾乎充滿半個(gè)型腔，下模坯料的放置穩(wěn)定性也加強(qiáng)了，隨著上模下壓移動(dòng)，上下模型腔的充填開始加速，跟上次模擬類似，下模型腔的填充速度快于上模的填充，到達(dá)130步時(shí)下模型腔已經(jīng)基本填充完畢，但是上模型腔還未填充完全。此時(shí)預(yù)鍛件由于連皮厚度較厚的原因尚未形成飛邊，為終鍛的型腔填充儲(chǔ)存了備料。預(yù)鍛完成后的坯料已經(jīng)接近于終鍛模具型腔，只是在上下模具底部還有填充間隙。隨著終鍛上模的下壓移動(dòng)，終鍛上下模都在填充，跟預(yù)鍛鍛造過程一樣下模型腔中坯料的填充速度快于上模型腔的填充。最后隨著上下模具的閉合，上模型腔底部被坯料充滿，同時(shí)飛邊也被擠出成形。

坯料流動(dòng)分析

圖4模擬了鍛造過程中坯料在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)速度。從模擬過程可以得到坯料每個(gè)部位的流動(dòng)速度的大小和流動(dòng)方向。從流動(dòng)速度上來看，由于上模具的下壓移動(dòng)造成了預(yù)鍛過程中坯料上半部分流動(dòng)速度較大，流動(dòng)方向與模具移動(dòng)方向一致，所以在預(yù)鍛過程中下模型腔填充快于且好于上模型腔填充；終鍛模擬時(shí)，由于連皮厚度尺寸較大，所以其變形量也較大，上模進(jìn)一步下壓移動(dòng)，終鍛下模型腔中的坯料流動(dòng)速度加大，流動(dòng)方向與模具移動(dòng)方向基本一致，并且快速充滿型腔。到終鍛后期，隨著下模型腔填充完全，型腔中的金屬流動(dòng)速度減小，流動(dòng)方向向難填充方向改變，匯流趨勢明顯，但沒有形成匯流和回流現(xiàn)象。由于下模型腔填充完全，上模型腔中金屬流動(dòng)速度加大，流動(dòng)方向指向上模底部；此時(shí)，飛邊區(qū)的金屬流動(dòng)加強(qiáng)，開始形成飛邊。

圖4 鍛造過程中坯料流動(dòng)速度與方向

從整體鍛造過程的模擬來看，下模型腔填充比較容易，坯料流動(dòng)速度也快；上模型腔是填充的難點(diǎn)，在鍛造前期和中期兩個(gè)階段內(nèi)，型腔填充不明顯，就后期模擬情況來看，上模型腔底部的填充是靠鍛造后期的坯料反擠壓來實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)際鍛造驗(yàn)證

實(shí)際鍛造生產(chǎn)是在德國米勒·萬家頓的PSH4450型全自動(dòng)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)鍛造線(圖5)上進(jìn)行的，該生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了無人化操作，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量穩(wěn)定。圖6為模具優(yōu)化設(shè)計(jì)后鍛造出的托輪精鍛件，經(jīng)過全尺寸檢查，托輪精鍛件完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 PSH4450型全自動(dòng)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)鍛造線

圖6 托輪精鍛件

結(jié)束語

從鍛造過程模擬來看，模具設(shè)計(jì)關(guān)系到坯料放置的穩(wěn)定性，關(guān)系到坯料在型腔中的變形與流動(dòng)性，關(guān)系到型腔填充的合理性，更關(guān)系到最終鍛件成形的準(zhǔn)確性，所以模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化就成為實(shí)現(xiàn)精鍛技術(shù)的關(guān)鍵。在托輪鍛造模擬過程中，分析了高溫坯料在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)過程以及模具優(yōu)化前后各階段型腔的填充情況，并獲得了一些結(jié)論，對實(shí)際鍛造過程提供了指導(dǎo)并對以后模具的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考依據(jù)。