定扭螺母殼體精密鍛造的設(shè)計分析

文／高桂堂，王夕鋒，鄧正友·諸城市義和車橋有限公司

定扭螺母殼體（圖1）是用于組裝輪轂軸承的重要配件，對于鍛件精密度的要求非常高，鍛件的表面質(zhì)量及形位公差需要嚴格控制，整體鍛件精度達到二級。這對鍛造工藝、模具的加工精度及粗糙度等方面提出了嚴峻的考驗。我們在接到客戶的開發(fā)需求后，合理地設(shè)計了工裝模具，通過試驗嘗試、不斷優(yōu)化，最終成功開發(fā)出外觀好、精度高的鍛件產(chǎn)品。

圖1 定扭螺母殼體毛坯圖

產(chǎn)品分析

該定扭螺母殼體產(chǎn)品的12個齒形的平面度要求為0.04mm，齒形角度偏差±15′，且一致性要求高，尺寸精度要求嚴格，鍛造拔模斜度小，根據(jù)產(chǎn)品的特點，決定選用閉式模鍛工藝，保證產(chǎn)品鍛造精度。

設(shè)備噸位及下料計算

通過鍛件三維造型確定鍛件的重量為1.638 kg，最大投影面積為12277mm2，根據(jù)螺旋壓力機設(shè)備噸位計算公式：

其中，P-螺旋壓力機公稱壓力（kN）；k-系數(shù)，當(dāng)熱鍛或精鍛時，k取80kN/cm2；S-鍛件最大投影面積；q-變形小的精鍛取1.6。

通過計算，鍛打該鍛件所需的最小設(shè)備噸位為6138kN，由于該閉式模鍛需要具備頂出裝置，所以根據(jù)我廠實際情況，選用10000kN公稱壓力的電動螺旋壓力機。根據(jù)鍛件三維造型重量及鍛件最大面的截面積，計算得知讓鍛件完全充滿型腔的下料規(guī)格為：直徑φ60mm，長度71.5mm。鍛件三維造型見圖2。

圖2 鍛件三維造型

圖3 成形過程模擬

成形過程模擬

借助DEFORM-3D軟件對定扭螺母殼體產(chǎn)品進行鍛造成形工藝模擬，如圖3所示。為簡化模型取產(chǎn)品1/12進行模擬，定扭螺母殼體是一個閉式模鍛成形產(chǎn)品，成形一共需要兩個成形工序，從仿真的角度應(yīng)該至少需要以下5個工序：

工序1：空氣傳熱過程，是從爐子到壓力機的傳送過程，時間為7s；

圖4 圓形模座

工序2：下模上的停留，時間為0.7s；

工序3：坯料鐓粗預(yù)鍛成形，將高度從71.5mm鐓粗至45.5mm，同時去除氧化皮；

工序4：傳送到終鍛模過程，時間為3s；

工序5：終鍛成形。

模具設(shè)計

模座設(shè)計

根據(jù)定扭螺母殼體的尺寸輪廓特點，決定選用圓形模具，需重新設(shè)計圓形模座，模座設(shè)計如圖4所示。通過設(shè)備噸位及設(shè)備的上下行程距離，確定圓形模座的高度及大小，設(shè)備要求的最小閉模高度為700mm。

成形模設(shè)計

成形模具設(shè)計的關(guān)鍵點在于：

⑴上下模的內(nèi)部合模間隙，控制在0.1～0.15 mm，外部合模間隙控制在0.4～0.6mm。

⑵上模的沖頭與下模的肩部間隙控制在鍛件尺寸的下公差以上，取0.5mm；凸模的肩部厚度控制在15mm以上，此處設(shè)計為18mm；考慮到鍛件料溫及下料長度的誤差，將多余的料轉(zhuǎn)移到可以后續(xù)加工的位置上。

⑶為了安裝模具方便，在上、下模上分別設(shè)置2個起吊孔；上、下模的底部設(shè)置7°的凸臺，便于壓圈將模具固定于模座。

具體設(shè)計方案如圖5所示。

圖5 成形模

頂出裝置設(shè)計

⑴頂出裝置在設(shè)計時需考慮頂料平臺到鍛件的下端距離?？紤]頂料裝置的頂出行程為120mm，而鍛件的頂出高度要求不能超過40mm，在設(shè)計時將頂料桿（圖6）分為兩部分，其中兩個頂料桿的間隙控制在90mm，還需保證頂料桿不能將模具頂出。

圖6 頂料桿

⑵上頂料桿與頂料孔的間隙。上頂料桿在設(shè)計時需設(shè)計導(dǎo)向部分，尺寸要求長度在30～50mm之間，考慮到材料的熱膨脹問題，導(dǎo)向段頂桿直徑公稱尺寸比孔徑小0.3～0.4mm，桿部外徑規(guī)定負偏差記-0.05mm，孔選正偏差+0.05mm。

⑶頂料桿承重部分間隙考慮到不至于使金屬鍛打時擠入頂料孔，設(shè)計為雙邊0.1mm以內(nèi)。頂料桿頂料部分直徑與沖孔連皮直徑相同，防止因頂料痕跡影響鍛件外觀。

沖孔工裝設(shè)計

鍛件成品的沖孔連皮厚度為10mm，設(shè)計沖孔模具時，設(shè)計的關(guān)鍵點有兩個方面：一是控制凸模與凹模的沖孔間隙，間隙設(shè)計為0.1mm，不至于使毛刺外露影響外觀；二是需設(shè)計擋料裝置，在設(shè)備回程時，使卡在沖頭上的鍛件能自動掉落。沖孔?？傃b圖如圖7所示。

表1 齒形高度抽樣測量數(shù)據(jù)（單位：mm）

圖7 沖孔模總裝圖

圖8 產(chǎn)品實物

存在的問題及改進措施

鍛打出的成品為方便后續(xù)工序加工，熱處理采用退火工藝降低鍛件的切削硬度，但在熱處理的過程中，鍛件會產(chǎn)生一定的變形，影響了齒形的平面度精度。我們對鍛打的產(chǎn)品隨機挑選5件分別測量了齒形高度。測量數(shù)據(jù)見表1。產(chǎn)品實物如圖8所示。

存在的問題與不足：1）鍛件表面有氧化皮，影響鍛件表面質(zhì)量；2）鍛打時，鍛件由于模具的表面粗糙度和上模拔模斜度的問題，工件會抱死在上模，很難取下；3）鍛件齒形的平面度在0.05～0.1mm之間，沒有達到標準要求的0.04mm；4）拋丸后由于鋼砂直徑太大，導(dǎo)致鍛件表面不光滑，達不到使用標準的粗糙度要求。

整改措施：1）控制鍛打溫度在830～880℃；2）鍛打毛坯時鐓粗去掉氧化皮；3）終鍛前蘸水去掉氧化皮；4）下模斜度由原來的2°改為0.5°；5）上模斜度由5°改為8°；6）上模尖角改為R5圓?。?）為方便工人師傅起件，將上模的圓形鎖扣開4個槽；8）中間芯頭部改為大圓弧面；9）在1000t液壓機上增加精整工裝。

結(jié)束語

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，主機廠對于鍛件精密度的要求越來越高，對鍛件的表面質(zhì)量及形位公差提出了更高的要求，本次定扭螺母殼體閉式模鍛工藝的成功為我廠后續(xù)無飛邊鍛造指明了方向。隨著鍛件利用率的提高，節(jié)約效益巨大，同時對同行業(yè)有一定的借鑒參考價值。