前基板和后基板共模模鍛成形研究

李志廣，張樹利，霍東明，劉碧芬

（1.北方通用動(dòng)力集團(tuán)有限公司，山西大同037036;2.江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司工藝研究院，湖南湘潭 411100）

前基板和后基板是150柴油機(jī)某同一機(jī)型中的2個(gè)不同零件，在模鍛成形時(shí)，如果模鍛工藝和鍛模設(shè)計(jì)不合理，則極易導(dǎo)致模鍛工藝性差，形狀、尺寸和力學(xué)性能一致性差，合格品率低，效率低，消耗大和成本高等現(xiàn)象［1—2］;前基板和后基板共模模鍛成形，可有效克服上述模鍛工藝性差，形狀、尺寸和力學(xué)性能一致性差，合格品率低，效率低，消耗大和成本高等諸多缺點(diǎn)。

1 模鍛工藝性分析

1）前基板和后基板為長(zhǎng)軸類模鍛件（熱模鍛件分別見圖1和圖2），材料牌號(hào)、每臺(tái)基數(shù)、尺寸精度、功能類別和力學(xué)性能等相同，形狀與尺寸相近，但長(zhǎng)度尺寸差異較大，傳統(tǒng)模鍛件毛坯圖設(shè)計(jì)和鍛造工藝規(guī)程編制不注重相關(guān)性。為優(yōu)化模鍛件毛坯圖設(shè)計(jì)，特將2個(gè)模鍛件相同或相近形狀、尺寸、精度、功能類別和材料牌號(hào)等要素，按成組技術(shù)合并同類項(xiàng)而注重相關(guān)性:如將2項(xiàng)模鍛件毛坯圖的高度與徑向尺寸、尺寸精度、機(jī)加工余量、分模面位置、模鍛斜度、圓角半徑、熱處理硬度和有關(guān)技術(shù)要求等要素按成組技術(shù)合并同類項(xiàng)，分別設(shè)計(jì)為相同，以有利于獲得形狀、尺寸和力學(xué)性能一致性好以及合格品率高的2項(xiàng)模鍛件。為優(yōu)化模鍛工藝規(guī)程編制，特將2項(xiàng)模鍛件模鍛工藝中人、機(jī)、料、法、環(huán)和測(cè)等要素按成組技術(shù)合并同類項(xiàng)，尤其是將模鍛工藝規(guī)程中的模鍛工序或工步、加熱爐溫、始鍛溫度、終鍛溫度、加熱時(shí)間和有關(guān)檢測(cè)內(nèi)容等工藝過程控制參數(shù)分別設(shè)計(jì)為相同，以有利于獲得模鍛工藝過程和模鍛工藝性一致性好以及合格品率高的2項(xiàng)模鍛件。

圖1 前基板熱模鍛件圖Fig.1 Hot die forging piece of the front base plate

圖2 后基板熱模鍛件圖Fig.2 Hot die forging piece of the rear base plate die forging

2）前基板和后基板傳統(tǒng)模鍛工藝過程應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)而不注重相關(guān)性。傳統(tǒng)模鍛成形主要工藝過程為:加熱→模鍛（分別在相異的滾擠模膛中滾擠制坯后再終鍛）→切邊→熱校正（分別在相異的終鍛模膛中進(jìn)行），實(shí)現(xiàn)一料一鍛，模鍛工藝性較好，形狀、尺寸和力學(xué)性能一致性較好，模鍛效率較高，但在終鍛模膛熱校正后極易產(chǎn)生粘模和模鍛件局部飛邊超差的現(xiàn)象，模鍛成本較高。優(yōu)化后模鍛工藝過程，特將2項(xiàng)模鍛件相同或相近形狀、尺寸、精度、功能類別和材料牌號(hào)等要素，按成組技術(shù)合并同類項(xiàng)實(shí)現(xiàn)共模模鍛成形而注重相關(guān)性，如優(yōu)化后的前基板共模模鍛成形主要工藝過程為:加熱→調(diào)頭模鍛（共模滾擠制坯后再終鍛+調(diào)頭共模滾擠制坯后再終鍛）→切邊→共模熱校正。調(diào)頭模鍛是指在同一套鍛模上夾住坯料的一端鍛造坯料的另一端，然后前后調(diào)轉(zhuǎn)180°夾住鍛過的一端再鍛造未鍛過的另一端的工藝方法，實(shí)現(xiàn)一料二鍛（無原材料鉗夾頭），可有效揚(yáng)長(zhǎng)避短傳統(tǒng)模鍛成形工藝的優(yōu)缺點(diǎn)［3—4］。優(yōu)化后的后基板共模模鍛成形主要工藝過程為:加熱→模鍛（共模滾擠制坯后再終鍛）→切邊→共模熱校正，實(shí)現(xiàn)一料一鍛，也可有效揚(yáng)長(zhǎng)避短傳統(tǒng)模鍛成形工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。

3）前基板和后基板共模模鍛成形工藝過程的關(guān)鍵是模鍛工序，模鍛工序的關(guān)鍵是鍛模設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)鍛模應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)而不注重相關(guān)性，2項(xiàng)模鍛件應(yīng)設(shè)計(jì)和使用2套相異鍛模，鍛模成本高;優(yōu)化后的鍛模設(shè)計(jì)，特將2項(xiàng)模鍛件相同或相近形狀、尺寸、精度、功能類別和材料牌號(hào)等要素，按成組技術(shù)合并同類項(xiàng)實(shí)現(xiàn)共模模鍛成形，注重相關(guān)性。如2項(xiàng)模鍛件只設(shè)計(jì)和使用1套共用鍛模，鍛模成本低，同時(shí)，鍛模在使用過程中由傳統(tǒng)裝卸次數(shù)1次/項(xiàng)減少到現(xiàn)在的1次/2項(xiàng)。

2 鍛模優(yōu)化設(shè)計(jì)

鍛模優(yōu)化設(shè)計(jì)也是優(yōu)化模鍛成形工藝、充分利用現(xiàn)有設(shè)備資源、降低消耗、提高合格品率與效率、節(jié)約工時(shí)、降低模鍛件成本等，以及揚(yáng)長(zhǎng)避短傳統(tǒng)鍛模設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)的關(guān)鍵［5—8］。前基板和后基板鍛模（見圖3）優(yōu)化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)如下。

圖3 前基板和后基板共模鍛模圖Fig.3 Common-mode die forging of the front base plate and the rear base plate

1）優(yōu)化鍛模整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。①為達(dá)到鍛模使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性有機(jī)統(tǒng)一的效果，特將前基板和后基板2項(xiàng)模鍛件的相同或相近形狀、尺寸、精度和功能類別等要素，按成組技術(shù)合并同類項(xiàng)而實(shí)現(xiàn)共模模鍛成形，即將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用的2套相異鍛模變?yōu)楝F(xiàn)有的1套共用鍛模:其中鍛模整體結(jié)構(gòu)為2個(gè)縱向排列的相異終鍛模膛、1個(gè)左縱向和右對(duì)角排列的共模鎖扣、1個(gè)縱向排列的共模滾擠模膛（設(shè)置在左縱向鎖扣上）、1個(gè)縱向排列的共模熱校正模膛和1個(gè)共模鉗口（見圖3）;②鍛模的鎖扣與鎖扣之間、鎖扣與熱校正模膛之間、鎖扣與終鍛模膛之間、終鍛模膛與終鍛模膛之間、終鍛模膛與熱校正模膛之間、終鍛模膛與鉗口之間以及終鍛模膛與模塊外壁之間既相互聯(lián)系又相互制約，結(jié)構(gòu)布置緊湊，使用強(qiáng)度足夠，使用功能擴(kuò)大化，鍛模制造成本降低;③鍛模的工作過程簡(jiǎn)單易行，即先將加熱到始鍛溫度的坯料進(jìn)行滾擠制坯，然后將制坯件在相應(yīng)的終鍛模膛中進(jìn)行終鍛，最后再將切邊以后的熱模鍛件進(jìn)行熱校正。

2）優(yōu)化鍛模鎖扣設(shè)計(jì)。①根據(jù)前基板和后基板模鍛件形狀與尺寸的特點(diǎn)，特將鍛模鎖扣優(yōu)化設(shè)計(jì)為左縱和右對(duì)角鎖扣結(jié)構(gòu)（見圖3），能夠滿足鍛模鎖扣的使用性能要求。②為確保鎖扣結(jié)構(gòu)更加緊湊又使用強(qiáng)度足夠，特將滾擠模膛設(shè)置在左縱向鎖扣上，不僅能夠擴(kuò)大鍛模鎖扣功能和降低鍛模制造成本，也能夠滿足鍛模滾擠模膛的使用性能要求［9］。

3）優(yōu)化鍛模終鍛模膛設(shè)計(jì)。①因前基板和后基板模鍛件具有相同或相近的形狀、尺寸、精度、功能類別、材料牌號(hào)、每臺(tái)基數(shù)和工藝過程、工藝過程控制參數(shù)等要素，以及具有相同的鍛模的鎖扣、滾擠模膛、熱校正模膛、飛邊槽和鉗口等要素，因此，共模模鍛成形可有利于2個(gè)相異的終鍛模膛具有相同或相近的使用壽命，或具有相同或相近的報(bào)廢周期，或具有相同或相近的最大模鍛數(shù)量。②根據(jù)前基板和后基板模鍛件φ22 mm圓凸臺(tái)部分較難成形和腹板部分較易成形的特點(diǎn)，特將2項(xiàng)熱模鍛件φ22 mm圓凸臺(tái)部分置于終鍛上模成形，將模鍛件腹板厚度10 mm，設(shè)計(jì)為上模為4 mm和下模為6 mm的非對(duì)稱式分模結(jié)構(gòu)（見圖1和圖2），以最大限度地減小上模終鍛模膛深度尺寸和改善模鍛件圓凸臺(tái)充填成形效果［10］。③將2個(gè)縱向終鍛模膛的中心線距離設(shè)置在鍛模燕尾寬度之內(nèi)（見圖3），以滿足終鍛模膛縱向中心線與模鍛錘燕尾中心線偏心距離小或偏心力矩小的要求。

4）優(yōu)化鍛模滾擠模膛設(shè)計(jì)。①因前基板和后基板是由圓凸臺(tái)和腹板兩部分組成的變截面軸類模鍛件，因此，在終鍛以前應(yīng)先進(jìn)行滾擠制坯。②為達(dá)到共模滾擠制坯以及鍛模結(jié)構(gòu)緊湊和鍛模模塊寬度減小的效果，特將2項(xiàng)熱模鍛件相同或相近形狀、尺寸、精度和功能類別等要素，按成組技術(shù)合并同類項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化組合，如將前基板熱模鍛件圓凸臺(tái)中心距尺寸92.5，123，157.5 mm（見圖1）以及后基板熱模鍛件圓凸臺(tái)中心距尺寸96，130，161 mm（見圖2），在共用滾擠模膛中所對(duì)應(yīng)的尺寸分別統(tǒng)一組合為（170-75）=95 mm，（170-75）+（233-170）/2=126.5 mm，（233-75）=158 mm（見圖3A-A剖視圖）。③為達(dá)到優(yōu)選下料規(guī)格、原材料消耗小、滾擠制坯工藝性好以及為終鍛提供良好的省力省時(shí)的中間過渡形狀與尺寸準(zhǔn)備的效果，在理論計(jì)算基礎(chǔ)上，再根據(jù)共模滾擠制坯的形狀與尺寸、滾擠模膛體積隨著模鍛數(shù)量增多逐漸增大、模鍛不足和未充滿傾向性逐漸增大、后基板在調(diào)頭滾擠制坯后坯料始鍛溫度和終鍛溫度略為降低，以及滾擠制坯效率等影響因素的有關(guān)約束條件，最終確定共模滾擠模膛的高度尺寸［11—12］。

5）優(yōu)化鍛模熱校正模膛設(shè)計(jì)。①因前基板和后基板模鍛件較長(zhǎng)而腹板橫截面積較小，在切邊以后極易彎曲變形（模鍛數(shù)量越多彎曲變形越嚴(yán)重），因此，在切邊以后應(yīng)進(jìn)行熱校正（熱校正溫度為800～950℃）;②為達(dá)到共模熱校正模膛既結(jié)構(gòu)緊湊又能夠分別輕易地放置，或包容切邊后的2項(xiàng)熱模鍛件以及熱校正具有高可靠性的效果，特將前基板和后基板熱模鍛件的有關(guān)形狀與尺寸按成組技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，以優(yōu)化和簡(jiǎn)化熱校正模膛的有關(guān)形狀與尺寸（見圖4）:將前基板熱模鍛件圓凸臺(tái)中心距尺寸34.5，92.5，123，157.5 mm（見圖1）以及后基板熱模鍛件圓凸臺(tái)中心距尺寸 34.5，96，130，161 mm（見圖 2），在共模熱校正模膛中所對(duì)應(yīng)的尺寸分別統(tǒng)一組合為38，95，127，159 mm（見圖3和圖4）;將前基板寬度尺寸φ25，φ22，16 mm（見圖 1）以及后基板寬度尺寸（R12.5+R12.5）= φ25，φ22，16 mm（見圖 2），在共模熱校正模膛中所對(duì)應(yīng)的尺寸分別統(tǒng)一組合為（R18.5+R18.5）= φ37，φ37，37 mm（見圖3 和圖4）;保證2項(xiàng)熱模鍛件的高度尺寸不變，將φ22 mm圓凸臺(tái)部分在熱校正下模中進(jìn)行熱校正（其中熱校正下模所對(duì)應(yīng)的恰是終鍛模膛上模，熱校正上模所對(duì)應(yīng)的恰是終鍛模膛下模），將腹板上平面作為校正模膛的分模面（見圖1、圖2 和圖4）。

圖4 前基板和后基板校正熱鍛件Fig.4 The thermal correction impression figure of the front base plate and the rear base plate

3 結(jié)論

1）將前基板和后基板相同或相近形狀、尺寸、精度、功能類別和材料牌號(hào)等要素，按成組技術(shù)合并同類項(xiàng)，優(yōu)化模鍛工藝和優(yōu)化鍛模設(shè)計(jì)（如優(yōu)化鎖扣、終鍛模膛、滾擠模膛和熱校正模膛等設(shè)計(jì)），可實(shí)現(xiàn)前基板和后基板共模模鍛成形。

2）前基板和后基板共模模鍛成形最終達(dá)到了優(yōu)質(zhì)、高效和低耗的效果:模鍛工藝性好，模鍛件形狀、尺寸和力學(xué)性能一致性好，合格品率高達(dá)99%;所使用的鍛模結(jié)構(gòu)緊湊又強(qiáng)度足夠，使用性能優(yōu)越，使用壽命高，模鍛效率高，鍛模制造成本至少減少40%。

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