半閉式模鍛工藝的研究與應(yīng)用

文/吳傲宗，陸長青，尹松森，張屹·第一拖拉機(jī)股份有限公司鑄鍛廠

目前，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，與之配套的零部件鍛造行業(yè)也在不停的增長，且鍛件結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜化。但是，近年來鍛造行業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，市場競爭壓力非常巨大，各鍛造企業(yè)只有降低制造成本，提升產(chǎn)品的成本優(yōu)勢和盈利空間才能提升企業(yè)的競爭能力和市場的適應(yīng)能力。因此，加強(qiáng)工藝研究，實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)創(chuàng)新、工藝改進(jìn)、加強(qiáng)新技術(shù)的消化吸收推廣應(yīng)用以降低制造成本的重要性顯得更加迫切。

大部分鍛件成本構(gòu)成中材料成本約占鍛件成本的40%～65%，提高材料成形利用率一直是鍛件成形工藝研究的重要內(nèi)容，也是降低工藝成本的最為有效的途徑之一。目前我廠因設(shè)備因素，閉式模鍛工藝的實(shí)施有著諸多局限性，現(xiàn)基本上以開式模鍛工藝為主，這就促使我們進(jìn)行半閉式模鍛工藝的研究和應(yīng)用。半閉式模鍛工藝具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，對我廠來說是完全陌生而又充滿足夠誘惑的新工藝，在如今的市場競爭形態(tài)下，半閉式模鍛工藝成為了我廠降低工藝成本的一個(gè)新的支點(diǎn)。

模鍛工藝介紹

開式模鍛

模具型槽周邊開放，具有橋部和倉部的飛邊槽結(jié)構(gòu)，模鍛成形時(shí)多余金屬形成飛邊，如圖1所示。其中橋部的作用為：在鍛打過程中，隨著上下模間距離的減小，坯料在模具的作用下發(fā)生變形，部分金屬擠出模具型槽，橋部對金屬外流形成阻力，迫使金屬充填型槽以使金屬成形。

閉式模鍛

閉式模鍛又稱為無飛邊模鍛，如圖2所示。坯料在四周封閉的模膛中成形，不產(chǎn)生橫向飛邊，閉式模鍛已廣泛應(yīng)用于軸對稱鍛件。但閉式工藝的諸多局限性限制了其應(yīng)用范圍。因無飛邊的形成，相對開式模鍛工藝節(jié)約材料10%～30%。

半閉式模鍛

閉式工藝的諸多局限性限制了其應(yīng)用范圍，為了進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用，半閉式模鍛工藝應(yīng)運(yùn)而生，半閉式模鍛是介于開式模鍛與閉式模鍛之間的一種新的模鍛工藝，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)形式的模鍛工藝，具有開式模鍛易于排出多余金屬，便于成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)鍛件的優(yōu)點(diǎn)，又有閉式模鍛增大擠壓成形能力，易于成形狹深結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的節(jié)材效果和提高模鍛過程中坯料的填充性能，相對開式模鍛工藝節(jié)材5%～15%，能有效降低制造成本，帶來顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

半閉式工藝的研究與分析

既然半閉式模鍛工藝有著顯著的節(jié)材效果，那么為什么不全部使用半閉式模鍛工藝？或新開發(fā)的產(chǎn)品全部采用半閉式工藝？我們使用Deform模擬分析軟件對同一個(gè)零件，分別就鍛打成形力（圖3、圖4）、模具應(yīng)力（圖5、圖6）及模具磨損（圖7、圖8）等三方面進(jìn)行分析對比。

從以上的分析看，使用半閉式模鍛工藝，鍛打成形力會增大1.4倍，因成形力的增大，同時(shí)所分析處的模具應(yīng)力增大了1.3倍，模具磨損增大了4.5倍。在節(jié)材和提高成形能力的前提下，降低半閉式模鍛的成形力是工藝研究的首要內(nèi)容。如果沒有充分的工藝分析和研究而冒然嘗試的話，當(dāng)半閉式結(jié)構(gòu)參數(shù)確定不當(dāng)時(shí)，對于鍛壓機(jī)生產(chǎn)設(shè)備極易發(fā)生過載閉車事故，對于模鍛錘會因成形力過大而無法打靠，鍛打次數(shù)增多，鍛件厚度超差，對于以上兩類模鍛設(shè)備易出現(xiàn)模具過早磨損嚴(yán)重和出現(xiàn)裂紋而失效，嚴(yán)重降低模具壽命。充分的分析和研究是半閉式工藝有效和可靠實(shí)施的關(guān)鍵。因此，我們需要從以下方面進(jìn)行研究分析。

⑴工藝設(shè)備的選擇。

半閉式模具結(jié)構(gòu)相對于開式結(jié)構(gòu)具有提前形成金屬的外排阻力及明顯增大金屬外排阻力的特點(diǎn)。當(dāng)計(jì)算毛坯確定不當(dāng)及半閉式結(jié)構(gòu)參數(shù)值不當(dāng)時(shí)，成形力會有很大的增加，對于工藝的研究和試驗(yàn)階段存在這種可能性很大。不適宜選擇鍛壓機(jī)做研究階段的試驗(yàn)，易發(fā)生設(shè)備過載閉車事故?？紤]成形設(shè)備的負(fù)荷能力和調(diào)試驗(yàn)證時(shí)載荷變化的適應(yīng)能力，選擇不定行程的模鍛錘工藝設(shè)備更為適宜，且模鍛錘目前仍是我廠生產(chǎn)的主力設(shè)備，更具有以點(diǎn)代面性。當(dāng)工藝成熟時(shí)具有更大的推廣面，同時(shí)又具有向鍛壓機(jī)設(shè)備遷移的延伸性。

⑵工藝分析和研究的主要內(nèi)容。

主要分析和研究半閉模具結(jié)構(gòu)的適宜部位、參數(shù)值對坯料成形填充性、成形力、模具磨損、模具壽命的影響及合理的確定參數(shù)值的方法。

⑶研究和驗(yàn)證方法。

結(jié)合開式模鍛工藝的相關(guān)理論，以有限元虛擬成形技術(shù)為主要手段，對主要研究內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)研究，避免以實(shí)物方式進(jìn)行研究的低效和高成本，可大大減少實(shí)物方式的試驗(yàn)和修模次數(shù)，加快項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)度。以充分的虛擬成形分析和研究為基礎(chǔ)，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終以實(shí)物的方式進(jìn)行驗(yàn)證和修正。

半閉式模鍛工藝的實(shí)施與驗(yàn)證

目標(biāo)產(chǎn)品的選擇

根據(jù)我廠的生產(chǎn)實(shí)際，我們選擇10t模鍛錘生產(chǎn)的A四缸曲軸和16t模鍛錘生產(chǎn)的B六缸曲軸為研究和實(shí)施目標(biāo)。A曲軸所需成形力為10t,當(dāng)半閉式結(jié)構(gòu)參數(shù)確定相對所用的成形設(shè)備不當(dāng)時(shí)就會因成形力的增大過多產(chǎn)生鍛件欠壓而引起厚度超差等問題，可有效驗(yàn)證所確定的半閉式結(jié)構(gòu)參數(shù)的適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)的有效性。B曲軸因需扭拐成形工藝選擇了16t模鍛錘成形，其實(shí)際所需模鍛成形力10t即可，當(dāng)改為半閉式模鍛工藝后即使成形力有較大的增加也可以將鍛件打靠?？捎行?yàn)證所確定的半閉式結(jié)構(gòu)參數(shù)對模具壽命的影響程度。

結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究

半閉式結(jié)構(gòu)形式和主要參數(shù)，如圖9所示，其中b值由H值確定，h可參照開式工藝的橋部參數(shù)，那么余下的參數(shù)為t和H，也是半閉式工藝的最重要的參數(shù)和研究對象。研究方法為結(jié)合實(shí)際用料、形成飛邊的大小和錘上模鍛的特點(diǎn)分別初始t值和H值，然后以其一為定值，另一為變量，以有限元虛擬成形技術(shù)研究變量對成形力、模具應(yīng)力和模具磨損的影響。以最小二乘法進(jìn)行三階曲線擬合，依據(jù)曲線走勢和數(shù)值及結(jié)合相關(guān)因素收縮最佳t和H的取值范圍，以確定的t和H再次虛擬成形分析，對t和H取值進(jìn)行微調(diào)。最終以確定的參數(shù)值進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和工藝驗(yàn)證。圖10為曲軸某一部分應(yīng)用半閉式結(jié)構(gòu)研究階段中的部分?jǐn)?shù)據(jù)圖示。

A曲軸半閉式模鍛工藝驗(yàn)證

原開式模鍛工藝坯料規(guī)格φ140mm×660mm，改為半閉式模鍛工藝后用料為φ135mm×660mm，單件節(jié)材5.6kg，降低用料消耗7.7%，圖11和圖12為半閉式工藝實(shí)施前后的開式與半閉式模具圖。圖13為實(shí)際驗(yàn)證中存在鍛件欠壓現(xiàn)象后對模具半閉式結(jié)構(gòu)參數(shù)值依實(shí)際情況進(jìn)行修正。圖14和圖15為開式與半閉式模鍛工藝形成飛邊，從圖15中的飛邊可以看出半閉式模鍛工藝具有明顯的節(jié)材優(yōu)勢。此鍛件半閉式模鍛工藝經(jīng)過多次批量生產(chǎn)，無因半閉式模鍛工藝帶來的成形缺陷，且模具壽命與開式模鍛工藝相當(dāng)，達(dá)到了半閉式模鍛工藝合理的預(yù)期。

B曲軸半閉式模鍛工藝驗(yàn)證

此鍛件原開式模鍛工藝用料規(guī)格為φ140mm×790mm，用料直徑偏小，但選大一規(guī)格的用料又存在利用率不高造成材料浪費(fèi)的情況。在用φ140mm規(guī)格料生產(chǎn)過程中，存在高達(dá)82%平衡塊充不滿問題，經(jīng)對開式模鍛工藝模具參數(shù)的改進(jìn)后，平衡塊充不滿比例仍近50%。此鍛件需面臨兩種改進(jìn)途徑的選擇，其一加大用料直徑為φ145mm，這樣一來，材料相比原用料增加6.9kg，增加比例為7.2%；其二原工藝用料規(guī)格不變，選擇新的模鍛工藝解決平衡塊充不滿問題。從降低工藝成本的角度出發(fā)，我們選擇了半閉式模鍛工藝，工藝的目標(biāo)定為平衡塊充不滿比例小于5%。圖16和圖17為開式與半閉式模鍛工藝生產(chǎn)鍛件的對照，因半閉式結(jié)構(gòu)參數(shù)確定適當(dāng)，在模鍛打擊次數(shù)未增加的情況下平衡塊充不滿比例已降至5%以下，完全達(dá)到了預(yù)期目的。

半閉式模鍛工藝推廣應(yīng)用范圍和前景

半閉式模鍛工藝明顯的優(yōu)勢有兩點(diǎn)，其一是顯著的節(jié)材效果，其二是有效增強(qiáng)了成形過程中坯料的填充性能，有利于復(fù)雜形狀鍛件的成形。此工藝的難點(diǎn)在于半閉式結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的確定，在充分研究的基礎(chǔ)上加以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對模鍛成形具有普遍適用性和有效性。