軸承套圈塔鍛成形鍛件表面缺陷控制方法的研究

文／王歡，王煜彬，吳敏·浙江天馬軸承有限公司

在現(xiàn)代制造業(yè)高效率、高精度、高壽命的大環(huán)境中，時(shí)間決定著金錢，質(zhì)量保證著收益。如何能夠更加高效，又不降低質(zhì)量，還能降低成本的生產(chǎn)，是所有制造加工企業(yè)的發(fā)展方向。為跟隨時(shí)代的步伐，某公司引進(jìn)軸承套圈塔鍛自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，以提高部分型號(hào)軸承套圈鍛造生產(chǎn)效率和質(zhì)量精度。在生產(chǎn)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，塔鍛鍛件表面存在塌角、內(nèi)陷、毛刺等缺陷，為了能夠更好的解決塔鍛鍛件表面缺陷，需要對(duì)塔鍛成形過程進(jìn)行模擬，尋找鍛件表面缺陷的控制方法，通過改變相關(guān)控制方法，來提高塔鍛鍛件表面質(zhì)量。

塔鍛鍛件表面缺陷影響因素分析

塔鍛鍛件表面缺陷類型

圖1是塔鍛成形鍛件的表面缺陷示意圖。由圖1可知，塔鍛成形鍛件表面缺陷主要有塌角、凹陷、毛刺三類。

塔鍛鍛件表面缺陷的影響

圖1 塔鍛成形鍛件表面缺陷示意圖

在軸承制造行業(yè)中，鍛造工序?yàn)楹笮蜍嚰庸ち粲幸欢ㄓ嗔?，如鍛件表面缺陷?yán)重將導(dǎo)致在車加工工序根據(jù)工藝要求加工之后，實(shí)際加工件卻未達(dá)到工藝要求，如塌角或凹陷過深，超過加工余量，車加工完成后表面仍有氧化皮未車掉；存在毛刺輕則降低加工效率，重則撞刀報(bào)廢。

塔鍛鍛件表面缺陷形成原因

塔鍛鍛件表面缺陷形成原因主要有以下幾類：⑴熱鍛成形過程中，為保證模具壽命和鍛件順利脫模，需經(jīng)常為模具表面噴淋脫模劑，為模具提供潤(rùn)滑和冷卻，因脫模劑大多為汽霧，這樣不可避免的會(huì)在模具型腔表面殘留。若殘留脫模劑高溫汽化未來得及排出，成形時(shí)擠壓了鍛件成形的空間，導(dǎo)致成形后鍛件表面有凹陷和凹模型腔拐角處的塌角；⑵由于成形時(shí)下料重量欠缺，鍛件沒有完全依靠模具成形，部分仍處于自由態(tài)，導(dǎo)致鍛件表面圓角塌角；⑶由于模具存在配合間隙，下料重量超重導(dǎo)致成形時(shí)發(fā)生溢料現(xiàn)象，在鍛件表面形成毛刺。

塔鍛成形過程仿真模擬分析

建立仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

以NJ312E軸承套圈塔鍛成形為例，通過CREO軟件建立stl格式文件的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將其?dǎo)入DEFORM-3D軟件進(jìn)行塔鍛成形仿真模擬分析。通過鍛造工步計(jì)算得到塔鍛成形的料餅數(shù)據(jù)，料餅厚35mm，料徑最大處φ104.5mm，料餅外圓弧近似半徑R20.3mm，網(wǎng)格元素?cái)?shù)目3500，鍛件材料GCr15，鍛件溫度1180℃，環(huán)境溫度20℃，模具溫度200℃。塔鍛成形開始階段，模具與料餅接觸情況如圖2所示。

仿真結(jié)果的分析

在模擬成形過程中發(fā)現(xiàn)，成形時(shí)料餅受到模具擠壓作用，料餅在模具型腔中流動(dòng)變形如圖3所示。

由于模具型腔存在拐角，金屬在高溫下受擠壓流動(dòng)時(shí)，中、下部塌角和凹陷仍開始形成如圖4所示。這樣很好地解釋了鍛件中部凹陷和塌角形成原因：熱鍛成形過程中，潤(rùn)滑劑不可避免的會(huì)在模具型腔表面殘留。在塔鍛成形時(shí)形成的這3處環(huán)帶狀封閉區(qū)域便成了容納殘余液體的場(chǎng)所，在高溫環(huán)境中部分會(huì)汽化為水蒸氣，如果來不及將水、汽排出，這3處環(huán)帶狀區(qū)域由于空間封閉形成高壓區(qū)，占據(jù)模具型腔的部分空間，嚴(yán)重阻礙了金屬在型腔中的流動(dòng)，成形時(shí)金屬無法貼合型腔，成形后最終導(dǎo)致這3處環(huán)帶狀封閉區(qū)域形成凹陷和塌角。

圖2 塔鍛成形開始階段

圖3 料餅流動(dòng)變形過程

圖4 成形過程中3處環(huán)帶狀封閉區(qū)域形成

鍛件上端部分在成形過程中開始的大多數(shù)時(shí)間處于金屬流動(dòng)自由態(tài)，如圖5所示。塔鍛成形時(shí)模具運(yùn)動(dòng)接近封閉高度時(shí)對(duì)其產(chǎn)生擠壓力，當(dāng)下料重量欠缺，對(duì)自由態(tài)部分?jǐn)D壓力不足，導(dǎo)致鍛件沒有完全依靠模具成形，部分仍處于自由態(tài)，在成形后最終導(dǎo)致鍛件上表面塌角如圖6所示。

圖5 鍛件上端自由態(tài)部分

圖6 成形后鍛件自由態(tài)處形成塌角

當(dāng)下料重量超重嚴(yán)重，導(dǎo)致成形時(shí)溢料，在鍛件表面形成毛刺如圖7所示。

圖7 成形后鍛件表面形成毛刺

塔鍛鍛件表面缺陷控制方法的分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果得出：塔鍛鍛件表面缺陷的影響因素與缺陷關(guān)系如表1所示。

為此展開對(duì)塔鍛鍛件表面缺陷控制方法的研究：

⑴由下料重量引起的鍛件表面上部塌角和毛刺的控制。

表1 影響因素與缺陷表

經(jīng)過鍛造工步計(jì)算將NJ312E軸承套圈塔鍛下料重量偏差控制在-5g～+5g范圍內(nèi)，冷卻劑的噴淋和模具結(jié)構(gòu)不做改變。通過鋸切下料將下料重量控制在-5g～+5g范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際生產(chǎn)中效果明顯，塔鍛成形鍛件表面上部塌角和毛刺均≤1mm×1mm，但中、下部塌角和凹陷仍較明顯。通過生產(chǎn)實(shí)踐證明通過控制下料重量，鍛件上部的塌角和毛刺得到了很好的控制。

⑵由殘留水汽引起的鍛件表面中、下部塌角和凹陷的控制。

在上述方法的前提下，為了得到更好的水汽排出效果，通過對(duì)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，根據(jù)3處環(huán)帶狀封閉區(qū)域的位置，進(jìn)行了a、b兩種設(shè)計(jì)方案：

方案a：凹模拐角處設(shè)計(jì)8個(gè)均布的直徑φ1mm排氣孔，頂桿外圓開設(shè)8個(gè)均布的1mm深排氣槽，成形上模拐角處設(shè)計(jì)8個(gè)均布的直徑φ1mm排氣孔，側(cè)面開設(shè)導(dǎo)氣孔，頂出環(huán)間隙在1mm，整體式凹模排氣結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

方案b：上模結(jié)構(gòu)同圖8，凹模重新設(shè)計(jì)為分體式，在分體式上模與下模接觸面之間開設(shè)8個(gè)均布的寬4mm、深1mm的排氣槽，分體式下模中部設(shè)4個(gè)均布的直徑φ4mm導(dǎo)氣孔，頂桿外圓開設(shè)8個(gè)均布的1mm深排氣槽，分體式凹模排氣結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

通過實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證得出：①方案a效果較為明顯，鍛件表面中、下部塌角和凹陷雖有降低，但仍有部分存在，可能是排氣效果不太明顯；②方案b效果明顯，鍛件表面中、下部塌角和凹陷沒有明顯存在，但在實(shí)際生產(chǎn)中，分體式凹模結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低容易開裂，成本升高；排氣槽易有氧化皮和冷卻劑殘余進(jìn)入堵塞，不便清理。故放棄方案b，選用方案a。

為了得到更好的效果，通過控制變量的方法對(duì)方案a進(jìn)行如下4次實(shí)驗(yàn)：①將成形上模和成形凹模排氣孔數(shù)量增加至10個(gè)，排氣孔直徑不變；②將成形上模和成形凹模排氣孔數(shù)量增加至12個(gè)，排氣孔直徑不變；③將成形上模和成形凹模排氣孔直徑加大為φ1.5mm，排氣孔數(shù)目不變；④將成形上模和成形凹模排氣孔直徑加大為φ2.0mm，排氣孔數(shù)目不變。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出：上述實(shí)驗(yàn)中鍛件表面中、下部塌角和凹陷均有降低，其中實(shí)驗(yàn)②和實(shí)驗(yàn)④對(duì)鍛件表面中、下部塌角和凹陷效果控制最好，但實(shí)驗(yàn)④鍛件表面有明顯的氣孔印，實(shí)驗(yàn)③鍛件表面沒有，證明排氣孔直徑太大對(duì)鍛件表面質(zhì)量有影響。

綜上所述，重新設(shè)計(jì)成形上模和成形凹模排氣孔，若排氣孔數(shù)目太多則模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到影響，所以開設(shè)12個(gè)直徑φ1.5mm、與模具中心軸線成30°角的排氣孔，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐證明鍛件表面中、下部塌角和凹陷控制效果最好。

圖8 整體式凹模排氣結(jié)構(gòu)圖

圖9 分體式凹模排氣結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

⑴通過生產(chǎn)實(shí)踐和DEFORM-3D軟件對(duì)NJ312E軸承套圈的塔鍛仿真模擬，找到了塔鍛鍛件表面缺陷（塌角、凹陷、毛刺）形成原因。

⑵找到了控制塔鍛鍛件表面缺陷（塌角、凹陷、毛刺）的方法，優(yōu)化下料重量和模具型腔水汽排出效果能夠有效的控制塔鍛鍛件表面缺陷的形成。

⑶通過控制變量的方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在NJ312E塔鍛成形模具拐角處開設(shè)12個(gè)直徑φ1.5mm、均布的排氣孔，對(duì)鍛件表面中、下部塌角和凹陷控制效果最佳。