工字型類鍛件拼分模工藝的研究與應(yīng)用

文／張文博，黃貴林，祁易·中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司

工字型類鍛件是石油鉆采行業(yè)中井口裝置、采油樹及節(jié)流、壓井等設(shè)備中比較常用的零件之一，市場(chǎng)需求較大。該類鍛件外形具有以下特點(diǎn)：兩端法蘭盤與中間圓柱同軸、法蘭盤與中間連接圓柱體直徑相差大。

鍛造工藝的現(xiàn)狀與分析

工字型鍛件目前常用的生產(chǎn)工藝為：

⑴以該產(chǎn)品法蘭盤直徑的粗加工尺寸為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上放加工量直接鍛造成大圓柱體鍛件，然后采用機(jī)加工的方式成形；

⑵在上述生產(chǎn)工藝中增加對(duì)中間小圓柱部分進(jìn)行象征性拔長(zhǎng)工序成形。

但是上述兩種生產(chǎn)工藝均存在以下不足：1)原材料利用率低，極端情況下不到50%（以本文所研究產(chǎn)品為例，采用以上生產(chǎn)工藝（直接自由鍛）原材料利用率最高僅為74%）；2)部分尺寸加工余量極大，加工費(fèi)用高，致使生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品盈利能力弱；3)生產(chǎn)周期長(zhǎng)，客戶滿意率低。

本文主要研究工字型類鍛件的拼分模工藝，突破傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的局限，避免上述問題的出現(xiàn)，以降低生產(chǎn)成本、適應(yīng)市場(chǎng)節(jié)奏，增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力為最終目標(biāo)。本文中著重從此類鍛件的外形出發(fā)，設(shè)計(jì)拼分模，采用胎模鍛工藝生產(chǎn)，達(dá)到模鍛件的尺寸精度。

工字型類鍛件工藝流程

由于此類鍛件以中小批量為主，采用模鍛工藝生產(chǎn)，工裝投入過(guò)多且生產(chǎn)成本較大，難以提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，故綜合分析考慮，研究拼分模生產(chǎn)工藝，可同時(shí)具有模鍛產(chǎn)品的精度與胎模鍛生產(chǎn)中多品種小批量的雙重優(yōu)勢(shì)。具體工藝流程圖如圖1 所示。

鍛件設(shè)計(jì)

此次新開發(fā)的工字型類零件質(zhì)量101.96kg，鍛件質(zhì)量154kg，按模鍛的工藝計(jì)算方式：復(fù)雜系數(shù)S=0.53，在自由鍛件工藝當(dāng)中已經(jīng)屬于復(fù)雜類鍛件，對(duì)拼分模的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

根據(jù)用戶提供的零件圖，依據(jù)新的工藝方案，繪制出鍛件圖，接近于模鍛件工藝余量，產(chǎn)品尺寸精度高，零件圖和鍛件圖如圖2 所示。

鍛造工藝方案制定

鍛造工序生產(chǎn)工藝方案為：對(duì)坯料先進(jìn)行拔長(zhǎng)后用胎模鐓粗成形一端法蘭盤，然后利用拼分鑲塊及外套筒模組合拼分模鐓粗成形另一端法蘭盤。采用此鍛造工藝，第一道鐓粗工序相當(dāng)于第二次鐓粗成形工序的出坯工序，可以很好的控制鍛件偏心問題及坯料尺寸精度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在最后一道用拼分模鍛造成形時(shí)，鍛件質(zhì)量及拼分模質(zhì)量合計(jì)超過(guò)600kg，鍛造設(shè)備選用3t 自由鍛錘。

模具設(shè)計(jì)

胎模、拼分鑲塊及套筒模設(shè)計(jì)依據(jù)

胎模的設(shè)計(jì)依據(jù)：冷鍛件圖→熱鍛件→胎模。熱鍛件尺寸計(jì)算如公式（1）。

式中：Lt為終鍛溫度時(shí)的鍛件尺寸（mm）；

L 為冷態(tài)時(shí)鍛件的尺寸（mm）；

α 為材料線膨脹系數(shù)（1/℃）；

t 為終鍛溫度（℃）。

對(duì)于石油行業(yè)鍛件材料（主要為：AISI4130、410SS）來(lái)說(shuō)，始鍛溫度一般取為1150℃，終鍛溫度≥860℃，對(duì)于此鍛件鍛造操作過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)，終鍛溫度較低，冷縮率適當(dāng)減小，通常取為1.2%～1.4%。

拼分鑲塊的設(shè)計(jì)參照胎模設(shè)計(jì)流程，在設(shè)計(jì)過(guò)程中著重考慮與套筒模裝配問題，避免組裝不起或難以組裝的情況發(fā)生。

胎模及拼分模設(shè)計(jì)

根據(jù)既定鍛造生產(chǎn)工藝方案，結(jié)合胎模設(shè)計(jì)要素，設(shè)計(jì)出胎模（圖3）、拼分鑲塊（圖4）及套筒模（圖5）。

圖3 所示為第一道鐓粗胎模，設(shè)計(jì)之初需要精確計(jì)算鍛件的下料重量，否則鐓粗后，后面拼分模自由鍛將存在充不滿的情況。

圖4 所示為拼分鑲塊，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到拼分鑲塊在鍛件成形后位于鍛件中間圓柱部位，為便于取出，在拼分模接口位置做出斜槽，以便鍛后拼分鑲塊取下。同時(shí)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，與法蘭盤內(nèi)側(cè)接觸端面設(shè)計(jì)斜度10°，內(nèi)側(cè)倒角R20mm，外側(cè)與第二道鐓粗套筒模接觸部分倒角R15mm，模具外側(cè)整體斜度與圖3 所示鐓粗胎模內(nèi)型腔斜度一致，且直徑單邊減少1mm 便于放入圖5 所示套筒模型腔。

圖5 所示套筒模為保證鐓粗后法蘭盤尺寸，a2、a3 尺寸設(shè)計(jì)為熱鍛件尺寸，型腔斜度自由過(guò)渡。圖6所示為拼分鑲塊及套筒模組合成的拼分模。

組合胎模在3TZ 上進(jìn)行鍛造，鍛造過(guò)程中承受力量極大，故在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)套筒模壁厚整體進(jìn)行加厚設(shè)計(jì)。

總結(jié)

經(jīng)過(guò)實(shí)際小批量生產(chǎn)驗(yàn)證，拼分模鍛造工藝方案可行且取得了成功，具備批量生產(chǎn)的工藝保障能力。本文中，采用新工藝方法生產(chǎn)工字型鍛件，比直接自由鍛節(jié)約原材料23%，新方案生產(chǎn)工字型鍛件達(dá)到工藝目標(biāo)值，鍛件工藝水平與模鍛相當(dāng)，原材料消耗與模鍛或直接自由鍛相比，節(jié)約原材料20%～40%，生產(chǎn)成本更低，工藝靈活性更好。