閉式熱精鍛技術的新進展

文/夏巨諶，鄧磊，金俊松·華中科技大學

張運軍，曹世金，甘萬兵·湖北三環(huán)鍛造有限公司

采用傳統(tǒng)閉式熱精鍛工藝制出的鍛件不產生橫向飛邊，但其僅適用于形狀簡單的回轉體鍛件；傳統(tǒng)開式精鍛適用于任何形狀的鍛件，但精鍛時鍛件沿分模面產生一圈橫向飛邊，且隨著鍛件復雜程度的增加，飛邊金屬消耗增加，通常飛邊金屬體積與鍛件自身體積之比高達15%～50%，甚至更高。作者開發(fā)的小飛邊熱精鍛技術綜合了這兩種精鍛技術的優(yōu)點，不僅適用于各種形狀的鍛件精鍛成形，而且飛邊金屬消耗僅為傳統(tǒng)開式精鍛時的40%～50%，且鍛件越復雜其效果越好。

概況

近年來，我國模鍛件產量一直保持在每年1100萬噸以上，且逐年增長。圖1為2015年國際鍛造聯(lián)盟各地區(qū)產品份額占比。我國在2017年鍛件產量達到1203萬噸，為世界鍛件生產第一大國，但精密鍛件僅占模鍛件總量的9%左右。日本和德國的模鍛件年產量均不足我國的1/3，但日本的精鍛件產量占整個模鍛件產量的36%，德國的精鍛件產量占模鍛件產量的37%，這導致兩國的模鍛件產量雖然遠不及我國，但其經濟效益卻遠高于我國。

圖1 2015年國際鍛造聯(lián)盟各地區(qū)產品份額占比

自20世紀90年代中期以來，我國冷、溫、熱精鍛成形工藝取得了較為長足的進步，其代表性成果有轎車差速器行星輪和半軸齒輪冷精鍛，載重汽車差速器行星齒輪和半軸齒輪及轎車等速萬向節(jié)三銷滑套與鐘形罩溫精鍛，自動變速器結合齒輪熱精鍛+冷精整，餅盤齒輪坯無飛邊閉式精鍛，動車鉤尾框整體復合精鍛等。本文在介紹小飛邊精鍛成形理論的基礎上，探究了小飛邊精鍛技術的應用。

小飛邊精鍛成形理論

飛邊橋部尺寸對應力狀態(tài)的影響

圖2 飛邊橋寬對模膛內應力狀態(tài)的影響

模鍛時沿鍛件分模面周圍形成一圈薄而平的飛邊，所以也稱為平面薄飛邊或小飛邊精鍛成形。飛邊橋部尺寸對模膛內應力狀態(tài)及金屬流動情況的影響如圖2所示。當飛邊橋部寬度b3＞b2＞b1時，則型槽中心的最大壓應力σz3max＞σz2max＞σz1max，徑向應力σr的變化情況與此相似。飛邊橋部厚度h（或飛邊槽橋部高度）不同，模膛內壓應力σz也將發(fā)生變化。當橋部高度h1＞h2＞h3時，模膛中壓應力的變化情況與飛邊寬度b變化情況相同。以上說明，隨著飛邊槽橋部高度的減小或寬度的增大，終鍛成形時模膛內的三向壓應力愈大，愈有助于金屬縱向流動使鍛件充滿成形。

飛邊橋部尺寸同飛邊金屬體積的關系

圖3為常用的飛邊槽結構，圖4為飛邊橋部寬高比b/h分別與飛邊金屬體積V飛（曲線1）和模鍛成形力P（曲線2）的關系曲線?？梢钥闯?，隨著飛邊橋部寬高比b/h的增加，飛邊金屬體積減小（曲線1）而模鍛成形力增大（曲線2）；當4＜b/h＜6時，曲線1和曲線2相交，在交點處的b/h為最佳值。

圖3 飛邊槽的常用結構形式

小飛邊槽的優(yōu)化設計

圖4 成形力P與飛邊金屬體積V飛同飛邊橋尺寸b/h的關系曲線

圖5 小飛邊槽及小飛邊結構圖

基于上述分析，可以取消傳統(tǒng)開式模鍛終鍛模膛上飛邊槽的倉部，設計成只有橋部的飛邊槽新結構，如圖5所示。橋部高度h仍按上述設計方法確定，寬度b1取為高度h的6～8倍，即b1=(6～8）×h。經工藝試驗和生產實踐表明，當鍛件上實際飛邊寬高比b/h≥6時，雖然模鍛成形力P有所增大，但飛邊金屬體積V飛可減少約60%，有效提高了材料利用率。通過坯料尺寸和體積偏差的控制，完全可控制模鍛時鍛件上的飛邊尺寸，使其符合設計要求。

汽車轉向節(jié)小飛邊熱精鍛技術

工藝方案制訂

圖6 A161盤式轉向節(jié)鍛件圖

圖6為湖北三環(huán)鍛造有限公司生產的A161盤式轉向節(jié)的鍛件圖。針對其結構特點，設計出小飛邊熱精鍛工藝方案，其主要工藝流程為：下料→加熱→壓扁→半閉式小飛邊預鍛成形→半閉式小飛邊終鍛成形→切邊。該方案的關鍵是預鍛件的優(yōu)化設計和半閉式小飛邊預鍛及終鍛成形工藝的分析制訂。

預鍛件優(yōu)化設計

預鍛件的設計原則及目的，是將制坯工件進行模鍛成形，使之成為與終鍛件輪廊相似的結構，并對于急劇變化及形狀復雜部分進行簡化和光滑處理后，形成中間毛坯，即預鍛件。它是對形狀簡單的制坯工件在終鍛前進行的一次合理金屬分配，使終鍛成形順利，得到合格的鍛件。同時，預鍛結構設計可減小模鍛成形力，降低終鍛模膛負荷，減少摩擦磨損，提高終鍛模使用壽命。所設計的A161盤式轉向節(jié)的預鍛件圖如圖7所示。

圖7 A161盤式轉向節(jié)預鍛件圖

采用Deform-3D軟件，對半閉式小飛邊預鍛（圖8）和終鍛成形全過程進行了模擬，模擬過程中，以前一道模擬結果作為后一道工序的初始條件，確保模擬過程的連續(xù)性和模擬結果的可靠性。模擬結果表明，根據(jù)A161盤式轉向節(jié)的結構特點，依據(jù)平面薄飛邊（小飛邊）形成的半閉式精鍛工藝原理和最小阻力定理，通過正反復合擠壓的變形方式，成功地實現(xiàn)了預鍛件和預鍛成形工藝的優(yōu)化設計。

模擬結果分析

圖9 終鍛結束時等效應變、等效應力與成形力曲線分布狀態(tài)圖

圖10 A161盤式轉向節(jié)精密鍛件系列產品

圖9為小飛邊終（精）鍛成形結束時的等效應變和等效應力分布狀態(tài)圖，由圖可以看出，其等效應變最大值max=7.26，等效應力最大值Pmax=248MPa，這說明小飛邊終鍛結束時變形劇裂，有利于復雜鍛件成形。這是因為終鍛時，隨著飛邊繼續(xù)增寬、變薄，加上迅速變冷，其橫向阻力急劇增大，促使金屬沿縱向流動，從而得到輪廊清晰的鍛件。由兩圖中的成形力曲線可以看出，其最大成形力為3670t，可作為選擇設備噸位的參考數(shù)據(jù)。

工藝試驗與產業(yè)化

采用公司現(xiàn)有的鋸床、中頻感應加熱爐、5t模鍛錘、10t模鍛錘和400t沖床組成工藝試驗生產線，其中，5t模鍛錘作為壓扁制坯和預鍛設備，10t模鍛錘作為終鍛設備。其工藝流程如前所述，模鍛過程中采用水基石墨對模具進行噴霧式潤滑和冷卻。試驗制造出的A161盤式轉向節(jié)精密模鍛件如圖10所示。新工藝制出的鍛件輪廊清晰，達到國標GB/T 12362-2016和歐標DIN EN10243精密級尺寸精度和技術要求，所生產的轉向節(jié)除滿足國內市場需要外，大部分都交付美國、德國、韓國、荷蘭和印度等國的用戶，創(chuàng)造了顯著的經濟與社會效益。

技術延伸

在成功將小飛邊熱精鍛技術應用到汽車轉向節(jié)的生產上之后，我們還將此技術延伸到其他產品，成功開發(fā)出多種復雜長軸類鋼質鍛件小飛邊熱精鍛工藝，其中，在J58K-2500型數(shù)控電動螺旋壓力機上實現(xiàn)的軌鏈節(jié)三工位精鍛工藝，其終鍛就是采用的小飛邊精鍛成形工藝，生產的鍛件產品見圖11。同傳統(tǒng)模鍛工藝生產相比較，新工藝材料利用率由73%提高到90%以上，且得到的鍛件質量更好。

圖11 軌鏈節(jié)小飛邊熱精鍛件

總結

本文介紹的小飛邊熱精鍛技術適用于各種形狀的鍛件精鍛成形，而且飛邊金屬消耗僅為傳統(tǒng)開式精鍛時的40%～50%，且鍛件越復雜其效果越好，采用新工藝生產的轉向節(jié)鍛件同采用傳統(tǒng)的臥式模鍛工藝生產的鍛件相比較，材料利用率由72%～73%提高到88%，且鍛件質量更好，鍛模使用壽命更高。