軸承座鍛造工藝與模具設計

文／江榮忠，王志錄，武敦南·航空工業(yè)江西景航航空鍛鑄有限公司

崔俊華·南昌航空大學航空制造工程學院

本方介紹了一種薄形鍛件的鍛造工藝及模具設計，解決鍛件產(chǎn)品合格率和材料利用率低等各種技術(shù)問題，降低生產(chǎn)制造成本。利用金屬塑性成形仿真軟件DEFORM-3D，對工藝進行仿真分析，仿真結(jié)果有效的驗證了工藝方案。用基于模擬驗證的工藝和設計的模具進行生產(chǎn)試制，軸承座鍛件產(chǎn)品的尺寸及性能完全達到了設計要求。

伴隨著我國城市化的快速發(fā)展，許多城市開始建立城市輕軌線路，以緩解出現(xiàn)的交通擁堵現(xiàn)象。國內(nèi)某公司與加拿大龐巴迪正在合作研究開發(fā)速度更快、效率更高的輕軌機車。軸承座（圖1）屬于其中有代表性的鍛件，投影面積大而鍛件大部分厚度非常薄。軸承座在鍛造生產(chǎn)過程中會存在各種技術(shù)問題，如頭尾兩端成形困難及切邊變形等。通過常規(guī)的鍛造工藝和模具設計很難實現(xiàn)低成本和高合格率的技術(shù)要求。本文介紹了一種鍛造成形工藝和模具設計，成功解決了薄形鍛件難成形的鍛造工藝難題。

軸承座的鍛造工藝性分析

我公司承制的某型號軸承座（圖1），鍛件重11.6kg，材質(zhì)為16MnDR。軸承座為精密模鍛件，尺寸精度要求較高、機械加工余量少，僅在鍛件背弧和內(nèi)孔安裝軸承部位有2.5mm機加余量，其他部位均為非加工面。

圖1 鍛件簡圖及三維造型

⑴產(chǎn)品特點。

鍛件投影面大、腹板薄、截面變化大。鍛件的包容體尺寸為437.2mm×248.9mm×60mm，投影面積達到751.20cm2。整個鍛件外形結(jié)構(gòu)酷似“腕龍”，從頭到脊椎再到尾部長達510mm，厚度僅為18mm?！巴簖垺钡哪_和肚子部位厚度從18mm急劇變化到60mm。頭部和尾巴兩端截面面積從450mm2變化到化到542mm2，中間最大截面面積11206mm2。

⑵鍛造難點。

在鍛造成形過程中，由于腹部薄，投影面過大，金屬流動過程中冷卻速度過快，導致金屬流動困難，型腔不易充滿，尤其是頭尾兩端距離遠容易出現(xiàn)缺肉現(xiàn)象。

軸承座主軸方向上截面形狀變化劇烈，容易出現(xiàn)充不滿，折疊以及利用率低等問題。需合理選擇坯料規(guī)格和設計模具結(jié)構(gòu)，合理分配坯料，降低鍛件成形力，提高鍛件合格率和材料利用率。

⑶鍛造工藝流程。

下料→中頻感應加熱→自由鍛出坯→模鍛（彎曲-模鍛）→熱切邊→油壓機熱校正→拋丸→熱處理（正火）→拋丸→終檢（機械性能、硬度、金相、探傷等）。

模具設計

設備噸位的確定

摩擦壓力機的鍛造成形力計算可按下式計算：

式中：α—與模鍛方式有關(guān)的系數(shù)，開式模鍛該值為4；F—螺旋壓力機公稱壓力(N）；S鍛—包括毛邊在內(nèi)的鍛件在分模面上的投影面積(mm2）；V鍛—鍛件體積(mm3）；σs—鍛件在終鍛溫度下的屈服極限(MPa），通?？捎猛瑴囟认碌膹姸葮O限σb代替。

上式適用于打擊一次成形所需的設備噸位，若采用2～3次打擊成形，則應按計算值減少1/2。

σs按終鍛溫度900℃取值55MPa；S鍛=76820 mm2；V鍛≈1480500mm3；把參數(shù)代入公式，經(jīng)計算，F(xiàn)≈41206kN。鍛件在摩擦壓力機上需進行彎曲一錘和模鍛兩錘成形，因此鍛造成形力F實際=F/2=20603kN＜25000kN，可選用2500t摩擦壓力機。

模具設計

⑴滾擠模設計。

鍛件的截面經(jīng)過簡化，將自由鍛的坯料的外形優(yōu)化成類似紡錘體形狀，中間坯料直徑為φ120mm，兩頭直徑最小為φ32mm，總長480mm。設計了如圖2所示的滾擠模，保證坯料的一致性和出坯速度。

圖2 滾擠模的三維造型

⑵彎曲模設計。

鍛件呈“腕龍”形狀，頭尾脊線角度為145°。彎曲模的形狀和角度尺寸根據(jù)熱鍛件的脊線變化進行設計，彎曲模在鍛模的側(cè)邊。將自由鍛制好的坯料壓扁后放入彎曲模，彎曲后的坯料可直接放入終鍛模膛。

圖3 彎曲模的二維示意圖

⑶終鍛模設計。

軸承座產(chǎn)品的開發(fā)，終鍛鍛模設計需要解決主要的鍛造難點為鍛件的頭尾兩端充滿。

1）鍛件終鍛模的型腔尺寸按鍛件圖加放收縮率即可。

2）鍛件的腹板投影面大且厚度薄，反映在模具上就是模膛寬而且淺，按常規(guī)的設計，料容易從型腔跑到倉部，造成材料利用率低下。按圖4所示設計阻力墻結(jié)構(gòu)，使得坯料在模鍛初始階段變形流動受到四周阻力墻側(cè)壁的限制，提高坯料向外流動的阻力，迫使金屬往兩端流動充滿模膛。

圖4 鍛模的阻力墻示意圖

模擬分析

利用金屬塑性成形仿真軟件DEFORM-3D，對工藝和模具進行仿真分析。將φ115mm×180mm的坯料加熱到1200℃，經(jīng)過第一工位鍛造成所需的毛坯經(jīng)彎曲后，放入終鍛模具型腔中，通過上下模的擠壓成形。模擬初始條件設置如下：材料為AISI-1025，模具材料為AISI-H-13；坯料溫度為1160℃；設備選擇2500t摩擦壓力機。對象屬性：坯料為塑性體，模具為剛性體；摩擦系數(shù)為0.3；熱傳遞系數(shù)：坯料與空氣換熱系數(shù)取為0.02N·(mm·s·℃）-1，模具與坯料之間的熱傳遞系數(shù)取為11N·(mm·s·℃）-1，模具與空氣換熱忽略不計。

圖5為軸承座成形的速度場模擬結(jié)果，鍛件兩端的速度場顯示坯料在受到阻力墻側(cè)壁的限制后，向兩端的流動速度增大。鍛件的充滿情況良好，模具結(jié)構(gòu)設計滿足設計要求。

圖5 軸承座成形的速度場及充滿情況

表1 鍛件機械性能

工藝試制

根據(jù)模擬結(jié)果，采用1t自由錘鍛和2500t摩擦壓力機聯(lián)合鍛造生產(chǎn)工藝。棒料經(jīng)過自由鍛滾擠后壓扁，在彎曲模型腔內(nèi)經(jīng)過一錘彎曲，終鍛模型腔兩錘鍛打成功。切邊后進行油壓機熱校正。

鍛造軸承座時采用φ115mm×180mm圓棒料，下料重量14.6kg，材料利用率達到79.5%，產(chǎn)品合格率達到99%以上。模具投入使用后，該鍛件已經(jīng)進入批量生產(chǎn)驗證，尺寸滿足圖紙要求，鍛件精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。圖6為切邊工序結(jié)束后的產(chǎn)品實物和鍛件正火后的顯微組織（細塊狀的鐵素體+珠光體）照片。表1為鍛件的機械性能。

圖6 切邊后的產(chǎn)品實物和顯微組織照片

鍛件開發(fā)初期出現(xiàn)了一些質(zhì)量問題，主要缺陷是鍛件未充滿，主要發(fā)生在鍛件兩端和叉口部位（圖7）。前期按照常規(guī)設計方案設計橋倉部，造成了材料利用率低和合格率較低的情況。通過設計優(yōu)化，設計了阻力墻結(jié)構(gòu)的模具，極大的提高了產(chǎn)品合格率和材料利用率。

圖7 軸承座未充滿位置

結(jié)論

⑴采用自由鍛滾擠和模鍛相結(jié)合的工藝可一火成形精度要求高的軸承座鍛件；

⑵采用數(shù)值模擬方法可以有效輔助鍛造工藝的設計，提高設計效率，提高產(chǎn)品開發(fā)成功率；

⑶采用阻力坎的橋部設計，鍛件成形效果好，未出現(xiàn)充不滿、穿筋等缺陷，尺寸達到要求，質(zhì)量穩(wěn)定。