環(huán)形鍛件模具及工藝優(yōu)化設(shè)計方法

杜 楨

（成都電力金具有限公司，四川 成都 610000）

環(huán)形鍛制件截面實則為“工”字型，在成形過程中中間部分的材料大量快速的向兩側(cè)流動，隨著鍛制件與模具之間熱傳導(dǎo)，中間部分材料表層溫度降低明顯，環(huán)形鍛制件的模具設(shè)計及成形工藝中要充分考慮制件材料成型的流動特點，將疊層缺陷的風(fēng)險徹底消除。

1 環(huán)形鍛制件形狀結(jié)構(gòu)及成形特點

如下圖1所示，環(huán)形鍛制件環(huán)部為截面為一定直徑的圓，便于安裝連接及有利于環(huán)-鏈連接受力。鍛制成型的環(huán)形件由于模具分型的原因可以有一定的直角邊，但直角邊的長度要小，不影響安裝受力。

圖1 環(huán)形鍛制件產(chǎn)品示意圖

2 試驗分析

環(huán)形鍛制件的截面為“工”字形，在成型合模過程中，環(huán)內(nèi)側(cè)材料在模具作用力下快速大量外流，但由于R處倒角小，內(nèi)側(cè)材料向外側(cè)流動困難程度增加，隨著模具繼續(xù)合攏內(nèi)側(cè)材料在高壓下繼續(xù)外流同時由于模具與坯料間導(dǎo)熱內(nèi)側(cè)材料溫度逐漸降低（內(nèi)側(cè)飛邊越薄溫度越低），最后在高壓下內(nèi)側(cè)低溫材料匯入環(huán)部與環(huán)部材料形成折疊。經(jīng)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，環(huán)類件產(chǎn)品裂紋均出現(xiàn)在環(huán)中間部位，深度約1mm～2mm，如圖2環(huán)形件缺陷軸向示意圖，根據(jù)裂紋形貌特點以及對裂紋的微觀分析，發(fā)現(xiàn)此種產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋的根源為，鍛造過程中材料反向流動，在材料交匯處，多余材料不能及時有效隨飛邊擠壓出產(chǎn)品本體，形成鍛造褶皺或疊層。

圖2 環(huán)形件缺陷軸向示意圖

3 模具設(shè)計及工藝優(yōu)化

3.1 環(huán)形鍛制件工藝優(yōu)化分析

在成型合模過程中，環(huán)內(nèi)側(cè)材料在模具作用力下快速大量外流，但由于R處倒角小，內(nèi)側(cè)材料向外側(cè)流動困難程度增加，隨著模具繼續(xù)合攏內(nèi)側(cè)材料在高壓下繼續(xù)外流同時由于模具與坯料間導(dǎo)熱內(nèi)側(cè)材料溫度逐漸降低（內(nèi)側(cè)飛邊越薄溫度越低），最后在高壓下內(nèi)側(cè)低溫材料匯入環(huán)部與環(huán)部材料形成折疊。

由上分析可以看出，上述一次精壓成型的工藝方式存在環(huán)內(nèi)側(cè)R處疊層的必然風(fēng)險。因此，為了規(guī)避上述風(fēng)險需要對加大模具凸臺的R讓環(huán)內(nèi)側(cè)材料順利外流，讓成型過程材料處于正常的塑性變形過程。但加大模具內(nèi)側(cè)R后對落內(nèi)毛邊造成了困難，同時環(huán)內(nèi)側(cè)直線鍛較長，不符合使用要求。

圖3 折疊產(chǎn)生示意圖

工字形截面鍛件，在鍛造成型過程中，由于金屬表層移動容易產(chǎn)生折疊，靠近接觸面a-b附件的金屬沿水平方向大量急速外流，同時帶動a-c、b-d附件金屬一起外流，使已經(jīng)氧化過的表層金屬a-b與a-c又匯合到一起形成折疊。及產(chǎn)生這種折疊需要滿足，靠近接觸面的表層金屬發(fā)生流動，這種流動是沿水平方向的流動，中間不分排出大量金屬，而排出的多余金屬在封閉空間內(nèi)無法外流。

3.2 模具設(shè)計

根據(jù)以上工藝優(yōu)化分析，模具設(shè)計需由原來的一次精鍛模改為一副模具預(yù)鍛和精鍛兩個模膛。

預(yù)鍛鍛造毛坯的截面如圖4示意圖所示，在環(huán)內(nèi)側(cè)加大了R尺寸，在預(yù)鍛過程中大量的內(nèi)側(cè)材料順利外流，避免在R處形成疊層。在精鍛過程中對內(nèi)側(cè)R處進行校型。

圖4 預(yù)鍛毛坯截面示意圖

4 鍛壓力校核

由于采用成型模上有預(yù)鍛和精鍛型腔，預(yù)鍛和終鍛型腔設(shè)置都不在壓力中心點上，同時模具的外形尺寸增大，成型設(shè)備都可以調(diào)整。

根據(jù)熱鍛模壓力機噸位的確定理論-經(jīng)驗公式有

（1）對在分模面上投影為圓形的鍛件，其模鍛所需壓力（N）為 ：

（2）對在分模面上投影為非圓形的鍛件，其模鍛所需壓力（N）為 ：

其中，D—為圓形鍛件的直徑（mm）；D1—非圓形鍛件的換算直徑（mm），；S—鍛件在分模面上的投影面積（mm2）；L件—非圓形鍛件的長度（mm）；B均—非圓形鍛件的平均長度（mm）；σ—金屬在終鍛溫度下的流動應(yīng)力（MPa）。

式中（1-0.001D）≥0.7時，即D＜300mm時，（1-0.001D）就以0.7計算。

圖1所示產(chǎn)品投影在分模面上投影為非圓形，采用上述公式②進行計算，采用35CrMo材料，代入數(shù)值后，F(xiàn)=5018KN，壓力機噸位≥F/0.8=627噸。

5 生產(chǎn)驗證試制

為了驗證工藝和模具改進后在環(huán)內(nèi)側(cè)是否改善鍛制環(huán)形件內(nèi)疊層側(cè)裂紋問題，生產(chǎn)試制了25件環(huán)形制件。通過檢測這25件中無一件產(chǎn)品有裂紋，與前期一次精鍛成型形成鮮明對比。

6 結(jié)論

環(huán)形鍛截面為“工”字形，其一次精鍛成型在環(huán)內(nèi)側(cè)存在疊層風(fēng)險，材料高溫下塑性變形能力越差的材料產(chǎn)生鍛造疊層的風(fēng)險也越大。通過模具和工藝設(shè)計優(yōu)化，能規(guī)避鍛造疊層疊層的產(chǎn)生，但平均單件產(chǎn)品的模具使用成本約增加1元/件。