薄壁熱模鍛件的工藝優(yōu)化

文/劉永康·江蘇威鷹機械有限公司

熱模精密鍛造

熱模鍛，區(qū)別于冷鍛、溫鍛，是指將金屬通過煤氣或電能加熱，使其始鍛溫度高于材料本身的再結(jié)晶溫度(一般不超過800℃)，再通過預(yù)先設(shè)計好的模具使得金屬通過塑性成形，鍛造為預(yù)先設(shè)計的形狀。由于毛坯的形狀、材質(zhì)的不同，需要對特定產(chǎn)品進行不同工藝排制，一般的工藝路線為鐓粗→預(yù)成形→成形。本次設(shè)計的產(chǎn)品屬于薄壁件，且?guī)в休^高的產(chǎn)品精度要求，尤其是內(nèi)部的大型空腔為鍛造工藝的排制增加了困難。

參考閉式熱模鍛、半閉式熱模鍛、開式熱模鍛的工藝特點，本次鍛造采用半閉式鍛造方法進行鍛造，主要原因有以下幾點：⑴相對開式熱模鍛能提高材料使用率、提高鍛造精度；⑵相對開式能降低鍛造壓力，減少能源損耗、降低模具成本。

薄壁件鍛造問題分析

產(chǎn)品描述

此產(chǎn)品為差速器半軸齒輪聯(lián)接件，用于傳遞變速箱輸出的扭力，為車輛行進提供動力傳輸。主要載荷為扭轉(zhuǎn)力矩。產(chǎn)品圖如圖1所示，其剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖可知，這個產(chǎn)品的法蘭處外徑相對桿部較大，但桿部直徑較小，同時，法蘭中心的孔徑較大，即壁厚較薄。由于這些因素的存在，給鍛造帶來了一定的困難，要做到近凈成形難度有所提升。

鍛造難點

⑴金屬流動復(fù)雜，容易產(chǎn)生如折疊、覆蓋等鍛造缺陷。

⑵內(nèi)腔空間較大，料坯分配困難，容易產(chǎn)生鍛造撕裂。

⑶法蘭邊的直徑較大，法蘭邊厚度較薄，工藝設(shè)計難度大，金屬流動困難，容易產(chǎn)生鍛造不充足，或鍛造折疊。

⑷為達到近凈成形，圖2虛線所示部分不再進行機加工，產(chǎn)品表面容易產(chǎn)生氧化，形成表面麻點或表面氧化皮脫落產(chǎn)生的表面凹坑。

⑸中心部位的孔徑較大，且較深，容易發(fā)生粘上沖頭的現(xiàn)象。

⑹法蘭處有6個臺階，鍛造過程中有氣體殘留，容易產(chǎn)生氣體壓縮導(dǎo)致的鍛造不足的現(xiàn)象。

實際生產(chǎn)中的問題

目前以兩道熱模鍛工步成形，其中，第一道為預(yù)成形，第二道為成形。

這種成形方式基本上可以完成零件的鍛壓成形，但是在實際的生產(chǎn)中容易出現(xiàn)諸多問題，并不是最優(yōu)化的生產(chǎn)方式。具體如下。

⑴圖3所示為預(yù)鐓粗坯料未能平穩(wěn)放置于成形模腔內(nèi)造成的局部切料覆蓋，覆料脫落后在零件表面留下凹坑。

⑵在大變形的工藝前提下，坯料的表面質(zhì)量要求尤為重要，建議使用剝皮光亮材或者粗磨材進行鍛造，避免表面氧化皮造成的鍛造表面不光滑的現(xiàn)象（圖4）。

⑶對模具表面的光潔度要求較高，以成形下模為例，法蘭邊下面的筒部接觸位置的模具表面質(zhì)量應(yīng)達到鏡面要求。在鍛造過程中，模具的表面冷卻潤滑要選用耐高溫的冷卻噴涂石墨，選用的石墨需要在高溫情況下，有較好的潤滑效果，并且需要調(diào)整水和石墨原液的比例，在起到潤滑模具作用的同時，能夠有效地控制模具的溫度，以防模具溫度過低造成的鍛造缺陷甚至出現(xiàn)模具開裂，或者模具溫度過高導(dǎo)致的模具未到達使用壽命產(chǎn)生磨損的現(xiàn)象。

⑷因為預(yù)鍛坯無桿部分料，在成形的過程中，桿部成形較慢，在法蘭邊成形到位后仍需要繼續(xù)鍛壓過程，導(dǎo)致鍛造壓力較大。

綜上，使用兩工步成形的工藝方法目的是為了提高生產(chǎn)效率，減少資源浪費，但總結(jié)實際生產(chǎn)情況發(fā)現(xiàn)，兩工步成形的鍛造生產(chǎn)零件有較高的報廢率，并且對工人操作的要求較為嚴格，可操作性不強，不能實現(xiàn)精益生產(chǎn)。因此這種鍛造方式需要進一步的改進。

三工步鍛造工藝

由上述可知兩工步成形工藝的缺點，因此提出了針對性的改進方案。

鍛造工藝路線

如圖5所示，工藝流程可分為三步：正擠→預(yù)成形→成形。其中增加了桿部正擠，即第一道次；并且還加深了預(yù)鐓粗的凹坑。

此工藝的優(yōu)點

⑴增加的正擠工序，使得預(yù)成形的坯料放置更為穩(wěn)定，不會出現(xiàn)因料坯放置不穩(wěn)產(chǎn)生的鍛造缺陷；⑵減小了鍛造噸位，降低了加熱溫度，減少了表面氧化程度，做到表面不需要切削。

開模前的有限元分析

設(shè)置分析模式為鍛造，鍛造壓力機為機械壓力機，根據(jù)滑塊速度設(shè)計節(jié)拍為2cycle/sec。因為本產(chǎn)品法蘭部位為六等分，為了節(jié)約分析運算成本，選取產(chǎn)品的六分之一為分析對象，導(dǎo)入數(shù)模。材料庫中未包含產(chǎn)品要求材料，根據(jù)碳當(dāng)量計算公式選擇數(shù)據(jù)庫中碳當(dāng)量基本一致的材料作為鍛造分析材料，加熱溫度設(shè)置1100℃，滑塊行程320mm，模具與坯料摩擦系數(shù)根據(jù)現(xiàn)實鍛造情況選擇0.35，開啟網(wǎng)格體積補償，設(shè)置對稱面，使用完全式分布運算，最終得到分析結(jié)果。

根據(jù)結(jié)果分析，無不良鍛造現(xiàn)象產(chǎn)生。

實際生產(chǎn)

通過高速圓盤鋸將棒料切斷下料至要求尺寸。為了防止正擠工步產(chǎn)生飛邊，對下好的料坯進行制坯，即兩端倒角，根據(jù)鍛造變形量的大小計算，倒角尺寸為C3最合適，既能防止飛邊的產(chǎn)生也能防止因倒角過大造成不必要的浪費。

為了達到表面不切削的目的，對料坯進行拋丸處理，拋丸后的料坯保證無油污，無氧化皮等遺留，且在后續(xù)的涂層工序中更好地吸附涂層液體。

將料坯加熱至120℃～150℃，進行涂層處理后，使用中頻加熱的方式快速加熱，加熱溫度至1000℃～1050℃，開始鍛造，監(jiān)控每道次的坯料是否調(diào)整至工序作業(yè)指導(dǎo)書的要求，若出現(xiàn)未能達到當(dāng)?shù)来我蟮那闆r應(yīng)及時調(diào)整壓機的鍛造參數(shù)，不能冒然進行下一道次的鍛造，防止出現(xiàn)因坯料分配不均產(chǎn)生的悶車或產(chǎn)生模具損壞等現(xiàn)象。

各道次依次檢驗合格后進行鍛造試制，經(jīng)統(tǒng)計，第一道次鍛造噸位220t，鍛坯表面無缺陷，端部無飛邊，各尺寸測量結(jié)果合格；第二道次鍛造噸位360t，鍛坯表面無缺陷，法蘭處上下邊線無飛邊，端面無折疊，各尺寸測量結(jié)果合格；第三道次鍛造噸位950t，鍛坯表面有少量氧化皮，法蘭處充形飽滿無缺陷，端面無折疊，底部空腔尺寸合格且底部平整無氣蝕、無縮孔等現(xiàn)象，各尺寸測量結(jié)果合格；對坯料進行拋丸處理后表面質(zhì)量良好，取得客戶認可。圖6為各道次的鍛坯結(jié)果展示。

結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)實驗證，三道次的鍛壓方式相對于二道次的鍛造方式，具有加熱溫度低，模具壽命長，鍛造表面質(zhì)量好，切削量少，表面不切削等優(yōu)點。