一種轂類鍛件復(fù)合熱擠壓成形工藝探討

文／張向卓，張鐵鎖·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

一種轂類鍛件復(fù)合熱擠壓成形工藝探討

文／張向卓，張鐵鎖·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

轂類零件是汽車(chē)變速箱中常用的一種零件，這種零件壁厚薄、型腔深，開(kāi)式鍛造生產(chǎn)時(shí)材料浪費(fèi)較大。本文介紹的是一種復(fù)合擠壓成形的設(shè)計(jì)，并借助Deform軟件模擬優(yōu)化成形方案，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)獲得了合格鍛件。這種復(fù)合擠壓成形方式可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

轂類零件在汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中使用廣泛，采用常規(guī)開(kāi)式模鍛成形時(shí)，上下端面充滿難度較大，通常需增加內(nèi)外圓及端面余量以提高充滿性，原材料浪費(fèi)大，機(jī)加工成本也隨之增加，需要尋找一種新的成形方式。本文針對(duì)某轂類零件(見(jiàn)圖1)，制定復(fù)合熱擠壓成形方案，利用Deform軟件模擬成形過(guò)程，優(yōu)化成形方案，最終通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)獲得了品質(zhì)良好的鍛件。

工藝分析

此零件上半部分壁厚12.5mm，下端壁厚6.8mm，壁厚較薄，模具型腔寬度與深度比值較大。鍛造過(guò)程中因薄壁部分溫降快，材料變形抗力急劇增大，上下端面處充滿困難。將分模面往上端面處移動(dòng)，可減小上端面處模具型腔寬度與深度比值，有利于上端面充滿，但下端面充滿不好的問(wèn)題仍然無(wú)法解決。為解決下端面充滿問(wèn)題，可選擇直徑較小的坯料，鐓粗后放置在接近下端面處，以利于下端面充滿，但坯料高徑比超出許可值。采用常規(guī)的鍛造方法，必須加大內(nèi)外圓及端面余量，以減緩坯料溫降，減小材料變形抗力，提高鍛件充滿性，并在局部增加加工余量補(bǔ)償未充滿的缺陷，以保證鍛件加工合格率。這種成形方式材料浪費(fèi)較大。

圖1 零件截面圖

根據(jù)此類件的形狀，可考慮通過(guò)熱擠壓成形方式生產(chǎn)。所謂熱擠壓，是加熱到再結(jié)晶溫度以上的金屬在強(qiáng)烈的三向不均勻壓縮力的作用下，從熱擠壓模的?？谥辛鞒龌蛄魅氇M小的模腔中，從而獲得所需的熱擠壓件的一種壓力加工方法。對(duì)于此件，采用熱擠壓成形方式比開(kāi)式模鍛成形的鍛件重量可降低約10%，材料消耗可減少20%以上。利用熱擠壓，可以節(jié)約原材料，減少機(jī)加工余量和工時(shí)，降低生產(chǎn)成本。

與冷、溫?cái)D壓一樣，根據(jù)金屬流動(dòng)方向的不同，熱擠壓也可分為正擠壓、反擠壓以及正反復(fù)合擠壓。此件上下端截面變化大，壁厚薄且高度落差大，采用擠壓成形時(shí)上下兩端均需要擠壓成形。設(shè)計(jì)中可以在預(yù)鍛正擠壓成形下端，終鍛反擠壓成形另一端，但是這樣的成形方案中為利于下端成形并且防止預(yù)鍛出刺，需要將坯料放入下端型腔中定位，此時(shí)坯料高徑比約為2.7，高徑比過(guò)大，故不考慮此成形方案，最終考慮采用復(fù)合擠壓同時(shí)成形上下端面的方案。

鍛件圖及模具設(shè)計(jì)

鍛件圖設(shè)計(jì)

結(jié)合此件零件尺寸，設(shè)計(jì)毛坯余量2.5mm，外出模角0.5°，內(nèi)出模角2°，按此設(shè)計(jì)鍛件毛坯圖(圖2)。此零件材料為42CrMo，始鍛溫度為1150℃，線性收縮率為1.36%，在毛坯圖的基礎(chǔ)上考慮坯料線性收縮率設(shè)計(jì)出熱鍛件圖(圖3)。

坯料計(jì)算及制坯工步設(shè)計(jì)

鍛件體積計(jì)算按厚度方向的正偏差一半計(jì)算，坯料采用中頻感應(yīng)加熱，火耗按1%計(jì)算，由于鍛件形狀復(fù)雜，因此在終鍛成形前需設(shè)計(jì)預(yù)成形。此件的生產(chǎn)設(shè)計(jì)為三步成形，即鐓粗、預(yù)鍛、終鍛。鐓粗工步設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證有足夠的壓下量以去除坯料加熱時(shí)表面產(chǎn)生的氧化皮，并且鐓粗制坯后應(yīng)在預(yù)鍛中定位可靠；預(yù)鍛工步的設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮預(yù)鍛件在終鍛型腔中的定位，一般設(shè)計(jì)間隙為0.5～1.0mm，預(yù)鍛的作用是合理分料并適當(dāng)成形以改善終鍛時(shí)金屬流動(dòng)狀況。經(jīng)過(guò)多次模擬分析，最終制定成形方案如圖4所示。

圖2 鍛件毛坯圖

圖3 終鍛工步熱鍛件圖

圖4 各工步型腔設(shè)計(jì)

Deform有限元模擬

對(duì)于此方案利用Deform進(jìn)行模擬，結(jié)合實(shí)際情況,模擬過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 模擬過(guò)程參數(shù)設(shè)定

圖5為終鍛工步充滿型腔時(shí)的模擬結(jié)果，圖中曲線為設(shè)備載荷曲線，其中X坐標(biāo)為模擬過(guò)程的步數(shù)，Y坐標(biāo)為設(shè)備載荷。其中1～205步為鐓粗過(guò)程，206～753步為預(yù)鍛，754步之后為終鍛過(guò)程。模擬的成形過(guò)程中金屬流動(dòng)順暢，預(yù)鍛分料合理，終鍛時(shí)金屬無(wú)劇烈橫向流動(dòng)，上下端面接近同時(shí)充滿，成形良好。

圖5 終鍛模擬

鍛件試制

考慮到鍛件脫模，在模具設(shè)計(jì)時(shí)凸凹模均設(shè)計(jì)了頂出裝置。坯料采用中頻爐加熱，結(jié)合模擬情況，考慮到擠壓過(guò)程中鍛件局部會(huì)有溫度升高情況，為防止鍛件過(guò)燒，坯料加熱溫度設(shè)定為1150℃±30℃。

實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，使用水溶性脫模劑，鍛件未充滿嚴(yán)重，調(diào)節(jié)閉合高度后未能完全解決，又做了以下調(diào)整：⑴改用石墨脫模劑，鍛件充滿性改善，獲得鍛件尺寸合格；⑵連續(xù)生產(chǎn)中偶有鍛件抱住凸模無(wú)法頂出的情況，將凸模出模角改為5°后出模順暢，可連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。最終獲得的鍛件尺寸及精度符合設(shè)計(jì)要求，無(wú)折疊及裂紋等缺陷，鍛件實(shí)物如圖6所示。

圖6 試制鍛件

結(jié)論

通過(guò)對(duì)此鍛件成形工藝設(shè)計(jì)以及實(shí)際生產(chǎn)，證明了這種復(fù)合熱擠壓成形工藝的可行性，對(duì)類似零件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)可提供一定的借鑒作用。由于此類鍛件壁厚薄，溫度降低快，鍛件極易冷縮抱住凸模，為利于鍛件脫模，建議在模具設(shè)計(jì)中凸凹模均應(yīng)設(shè)計(jì)頂出機(jī)構(gòu)，且凸模的出模角不小于5°，可結(jié)合具體零件適當(dāng)調(diào)整；預(yù)鍛設(shè)計(jì)應(yīng)注意分料，保證上下端面接近同步充滿。