半盲孔鍛件收孔鍛造工藝研究

王 文 王怡群 高全德 于乃勇 邱興波

(中原特鋼股份有限公司，河南459008)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量及性能的要求也越來越高。半盲孔件作為整體加工制造的產(chǎn)品，技術(shù)要求高，加工難度大，生產(chǎn)周期長，對相應(yīng)的工藝設(shè)備以及鍛造工藝參數(shù)要求嚴(yán)格，其鍛造品質(zhì)也直接影響到產(chǎn)品整體使用的可靠性。

生產(chǎn)過程中盡可能減少機(jī)械加工余量，降低原材料消耗和提高鍛件內(nèi)部質(zhì)量是鍛件鍛造的核心問題。本文研究的半盲孔產(chǎn)品粗加工外形如圖1所示，將以前鍛成實(shí)心鍛件或筒形件的工藝改成直接鍛成半盲孔鍛件。生產(chǎn)實(shí)踐證明，該工藝切實(shí)可行，不僅節(jié)約了原材料，還提高了鍛件質(zhì)量。

圖1 半盲孔鍛件粗加工示意圖Figure 1 Rough machining sketch of semi-blind hole forging

1 半盲孔鍛件鍛造工藝方案設(shè)計改進(jìn)

1.1 傳統(tǒng)工藝

半盲孔鍛件材料為35CrMo1A，按傳統(tǒng)鍛造工藝設(shè)計，該產(chǎn)品將設(shè)計為實(shí)心棒類鍛件或空心鍛件。

鍛制實(shí)心棒類鍛件。鍛件重量11.5 t，需采用15 t鋼錠鍛造；鍛造容易實(shí)現(xiàn)，但筒壁性能相對較差；坯料浪費(fèi)嚴(yán)重；機(jī)加工掏孔，且鍛件越長，掏孔難度越大，加工工時延長，交貨期延長。

鍛制為如圖2所示空心鍛件。鍛件重量9.5 t，需采用13.6 t的鋼錠鍛造。鍛件壁厚大，鍛坯余量大，鍛造用芯棒也只能依據(jù)鍛件小孔端尺寸和現(xiàn)有工裝情況選用?300 mm×4500 mm規(guī)格芯棒，造成鍛件重、工裝小、壁厚大、鍛造難度增大的情況，并且使用小工裝生產(chǎn)大鍛件，存在安全隱患[1]。

圖2 空心鍛件Figure 2 Hollow forging

1.2 收孔工藝

此產(chǎn)品最初設(shè)計為空心鍛件，按照傳統(tǒng)工藝采用芯軸直接拔長。在31.5 MN油壓機(jī)上鍛造時，由于鍛件內(nèi)孔小、壁厚大，導(dǎo)致鍛造難度大，并且加上設(shè)備能力、操作水平等問題無法保證傳統(tǒng)工藝方案的要求，造成鍛造時鍛件兩端嚴(yán)重凹心，無法正常生產(chǎn)。

為解決傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝帶來的諸多問題，通過對工件形狀、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的分析，認(rèn)為如果能直接鍛造出半盲孔，則鍛件毛坯重量可降低至7.6 t，采用鋼錠重量約11 t，節(jié)約原材料，降低原材料成本。同時改善鍛件內(nèi)臺階相交處內(nèi)部金屬組織、金屬流線，可使鍛件在加工后盡可能保留連續(xù)的金屬纖維組織，提高鍛件耐疲勞性能，并延長使用壽命[2]。

由于此次是利用原始坯料生產(chǎn)，坯料重量較大，為保證一次鍛造成功，工藝設(shè)計鍛件兩端均進(jìn)行收孔，最終根據(jù)內(nèi)孔缺陷情況確定半盲孔端，余料通過機(jī)加工去除，保證粗加工尺寸。其鍛件圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的鍛件圖Figure 3 Forging drawing after improvement

此次半盲孔鍛件采用模鑄鋼錠鍛造，鍛造變形過程由以下工序組成：1)錯平錠尾，剁齊冒口；2)鐓粗，鐓粗比約2.2，擊碎粗大的鑄態(tài)組織，改善鍛件內(nèi)部質(zhì)量；3)沖孔，采用實(shí)心沖子沖孔；4)擴(kuò)孔，保證芯棒能夠穿入拔長；5)芯棒拔長，為主要外形成形工序；6)立料鐓粗，消除空心鍛件端面不平整；7)收孔成型；8)精整表面[3]。

與傳統(tǒng)工藝方案相比，改進(jìn)方案要解決的主要問題有：收孔工藝操作較難控制，易出現(xiàn)收孔不到位，或收孔處內(nèi)壁折疊嚴(yán)重等問題。此外，收孔前坯料的形狀尺寸，收孔過程的鍛造溫度、壓下量及旋轉(zhuǎn)角度等也會影響收孔效果。

2 收孔工藝實(shí)施過程

2.1 主要工序

鍛造工藝設(shè)計及說明見表1。

2.2 實(shí)心沖子擴(kuò)孔

工藝改進(jìn)后采用?350 mm×4500 mm規(guī)格芯棒進(jìn)行主變形工序，需對坯料進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔內(nèi)徑尺寸約?350 mm。由于原工藝采用?300 mm×4500 mm規(guī)格芯棒鍛造，內(nèi)孔直徑小，且兩端平整端面后內(nèi)孔收縮，并且鍛件重量大，若采用馬杠擴(kuò)孔容易造成馬杠彎曲，工裝損壞。經(jīng)研究后決定采用實(shí)心沖子進(jìn)行擴(kuò)孔，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場情況選擇合適的沖子，沖子表面不能有毛刺，擴(kuò)孔過程選取最小規(guī)格沖子作為引沖，避免沖斜，多次擴(kuò)孔后內(nèi)孔直徑擴(kuò)至約?350 mm，再進(jìn)行芯棒拔長工序[4]。

表1 主要工序設(shè)計及說明Table 1 Design of main process and instruction

2.3 六方拔長

主變形芯棒拔長過程為保證拔長效果和拔長質(zhì)量，選擇上下平砧采用六方拔長方法，主變形拔長至相應(yīng)直徑和長度后，變形過程改為：六方→十二方→滾圓，滾圓采用上平砧、下V型砧變形。六方拔長很好的保證了拔長效果和拔長質(zhì)量。

2.4 三次收孔成型

收孔過程采用3次收孔。第1次將芯棒末端(小端)退至鍛件冒口端，先將冒口端帶芯棒收孔，保證第1次收孔過程內(nèi)壁不產(chǎn)生折疊，收孔后冒口端坯料與芯棒末端收緊抱死，操縱機(jī)能夠通過夾持芯棒旋轉(zhuǎn)移動鍛件，同時冒口端外徑留一定收孔余量；第2次對錠尾端進(jìn)行收孔，錠尾端采用不穿芯棒直接收孔至成品尺寸；第3次去掉芯棒后鍛件調(diào)頭，操縱機(jī)夾持錠尾端對冒口端進(jìn)行不帶芯棒收孔(即冒口端第2次收孔)，冒口端直接收孔至成品尺寸。第2次、第3次收孔過程中注意控制壓下量、旋轉(zhuǎn)角度。壓下量≤30 mm，旋轉(zhuǎn)角度≤30°，同時收孔過程中隨著內(nèi)外徑的減小，壓下量和旋轉(zhuǎn)角度也相應(yīng)減小，避免旋轉(zhuǎn)角度和壓下量過大造成內(nèi)壁產(chǎn)生較大缺陷，整個收孔過程鍛工需隨時關(guān)注內(nèi)孔變形情況。

此次大尺寸收孔鍛造半盲孔鍛件(或稱變截面內(nèi)孔鍛件)是我公司首次在生產(chǎn)中使用這種鍛造方法。鍛后實(shí)測尺寸如圖4所示。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況證明收孔工藝是可行的。且收孔工藝能夠避免鍛件過重，原材料浪費(fèi)嚴(yán)重，拔長過程端面凹心等諸多問題。

(2)新工藝收孔過程容易造成內(nèi)壁折疊，收孔過程需控制小壓下量、小角度旋轉(zhuǎn)。

(3)實(shí)心沖子擴(kuò)孔容易劃傷內(nèi)壁，且連續(xù)擴(kuò)孔過程會拉料至鍛件端部，擴(kuò)孔后需要燒剝處理。生產(chǎn)中需盡量避免采用連續(xù)實(shí)心沖子擴(kuò)孔工藝。

圖 4 鍛后實(shí)測尺寸Figure 4 Actual dimension after forging

(4)此次采用?350 mm規(guī)格芯棒拔長后收孔，收孔后鍛件尺寸及表面質(zhì)量滿足加工要求，且余量較大。推斷：芯棒拔長后收孔余量可以減小；該尺寸半盲孔采用?400 mm或?450 mm規(guī)格芯棒拔長后收孔的工藝具有一定的可行性。

[1] 運(yùn)新兵. 金屬塑性成型原理[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[2] 張皓曄，馬建平，彭忠. 工作缸鍛造工藝的改進(jìn)及數(shù)值模擬[J]. 熱加工工藝，2008，37(19)：81-83.

[3] 高錦張. 塑性成形工藝與模具設(shè)計[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：250-259.

[4] 姚澤坤. 鍛造工藝學(xué)[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998：61-64。