中心管的胎模鍛新工藝研究與應(yīng)用

文/王金鵬，李大喬·寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司熱工分公司

針對大變徑軸類鍛件自由鍛時(shí)，材料浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，設(shè)計(jì)了用于中心管的閉式胎模并制定了相關(guān)工藝參數(shù)，使用有限元模擬軟件對金屬充填過程進(jìn)行了仿真。針對產(chǎn)品桿部不易充填飽滿的情況，采用在模具兩端鐓擠的方法，通過制坯+一次胎模鍛成形的方法，使用兩火次成功鍛造出了符合要求的中心管產(chǎn)品。

中心管屬于大變徑軸類鍛件，我公司一直采用自由鍛拔長各臺階成形，但由于產(chǎn)品端頭和大臺外徑尺寸差異較大，拔長時(shí)需要多處添加余塊，造成材料的巨大浪費(fèi)。對此類大變徑軸類鍛件，有使用模具內(nèi)局部成形大臺——自由鍛拔長桿部的方法，但產(chǎn)品表面質(zhì)量欠佳，而且，對截面相差較大的產(chǎn)品，若使用原材料較細(xì)，則鐓粗成形大臺時(shí)容易失穩(wěn)引起折疊缺陷；若使用原材料較粗，在后續(xù)拔長桿部時(shí)，常常導(dǎo)致桿部與大臺不同軸，而造成產(chǎn)品報(bào)廢。為了解決中心管在生產(chǎn)中存在的材料浪費(fèi)、截面不同軸等問題，我們對中心管的胎模鍛工藝展開了研究，以實(shí)現(xiàn)一次胎模鍛成形。

工藝設(shè)計(jì)

工藝成形分析

要實(shí)現(xiàn)胎模內(nèi)成形中心管外形，便于金屬填充及方便脫模，應(yīng)盡可能使用錐度覆蓋零件輪廓上的臺階。據(jù)此，可初步設(shè)計(jì)出毛坯的鍛件圖，如圖1 所示（虛線表示零件輪廓）。由于產(chǎn)品相鄰截面積比達(dá)到7，材料分配不均勻性極大，故在終鍛前應(yīng)有制坯工序。

模具方案確定

從金屬充填難易程度的角度考慮，若分模面設(shè)置在通過產(chǎn)品軸線的平面，則承擊面較大，需要的設(shè)備成形力較大；若分模面設(shè)置在大臺端面，則有助于減小鍛造成形力，但由于產(chǎn)品桿部的高徑比達(dá)3.2，受摩擦力影響，模具下端的坯料不易變形。從模具制造成本及高效生產(chǎn)方面考慮，分模面設(shè)置在大臺端面時(shí)，模具整體為軸對稱零件，生產(chǎn)制造簡單，且易于實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。綜合以上兩方面，選用垂直分模，模具圖如圖2 所示。

模具由兩部分組成，下模成形大臺及桿部；上模成形端頭，且上模外徑尺寸與下模大臺部位相配合。鍛造時(shí)，上模夾持端頭，在下模內(nèi)下壓，大臺部位的材料發(fā)生局部鐓粗，端頭和桿部的材料向模腔充填，金屬在封閉式胎模內(nèi)成形，模具自身的導(dǎo)向保證了相鄰截面的軸線同軸。鍛造壓實(shí)后直接脫模，省去了切邊工序。

制坯工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

終鍛工序完成大臺的成形及端頭、桿部的充填任務(wù)，坯料制坯主要實(shí)現(xiàn)材料在各部位的初次分配。為保證端頭及桿部的錐度區(qū)域完整充填，將坯料制成多臺階狀。由于終鍛工序大臺的變形量較大，為避免大臺兩端面出現(xiàn)折疊缺陷，應(yīng)使端頭及桿部的坯料分配準(zhǔn)確，且各部位的坯料不宜過高。同時(shí)，外徑尺寸不宜大于相對應(yīng)的模具內(nèi)腔尺寸，否則，由于坯料與模具的摩擦力作用將導(dǎo)致坯料無法落實(shí)到位。根據(jù)鍛件圖計(jì)算出坯料的重量約800kg，為避免終鍛時(shí)大臺處高徑比太大而失穩(wěn)，原材料選用φ350mm 圓鋼，制坯尺寸如圖3 所示。

有限元模擬

為明確成形過程，確定大臺及桿部成形規(guī)律，我們使用相關(guān)軟件做有限元分析，過程模擬的典型步驟如圖4 所示。為模擬實(shí)際自由鍛開坯過程中桿部的不光滑表面，我們把桿部實(shí)體做成八角形，以便直觀反映桿部充填情況。

從圖4 可以看出，坯料充填順序是先大臺，再桿部，這與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相一致。從充填過程來看，在第346 步時(shí)，大臺及根部完全充滿；在第384 步時(shí)，桿部完全充滿。從所需成形力變化情況來看，在第306步以前，壓力平緩增加，且大臺成鼓形，外圓面已接觸模具型腔；在第306 步以后，壓力急劇增加，到第346 步時(shí)，壓力已接近5000t，第384 步時(shí)，需要的壓力為6400t，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我公司50MN 壓機(jī)的能力范圍。從模具受力情況來看，在第346 步以后，模具所受的壓力急劇增加。在實(shí)際鍛造生產(chǎn)中，模具受力情況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，終鍛力的急劇升高不利于提高模具和機(jī)器的使用壽命。綜合壓力變化對產(chǎn)品成形及模具壽命的影響，要實(shí)現(xiàn)中心管的一次模鍛，還需改變模具結(jié)構(gòu)。

模具改進(jìn)

為保證產(chǎn)品桿部完整充填，我們借鑒了浮動模成形原理，在大臺成形結(jié)束后，把它及端頭視為剛端，在下模端部添加下墊進(jìn)一步鍛造壓實(shí)，即采用兩端鐓擠的方式，可完全充滿。充填結(jié)束后，端頭部位添加漏盤，上砧輕壓，即可順勢取出坯料，這在成形方法及操作步驟上都比較合理。為此，我們對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖5 所示。在模具下端增加50mm 長的直臺，用于增加下墊壓實(shí)桿部。為方便坯料脫模，模體中軸向均采用1.5°的錐度，為便于坯料向下端桿部填充，在大臺根部設(shè)7°的錐度；上蓋依產(chǎn)品外形設(shè)4.8°的錐度。由于模具內(nèi)腔對上模起導(dǎo)向作用，兩者之間應(yīng)有一定間隙。間隙過大，在金屬流動時(shí)，此處將產(chǎn)生縱向毛刺，加速模具磨損和造成脫模困難，間隙過小，因溫度的影響和模具變形，將使上蓋和模具之間運(yùn)動困難。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，此處間隙選為2mm。

生產(chǎn)試驗(yàn)

模具制造完成后，我們按圖6 的生產(chǎn)流程進(jìn)行了產(chǎn)品試制。生產(chǎn)火次為兩火，生產(chǎn)完成的產(chǎn)品如圖7 所示。經(jīng)檢測，新工藝生產(chǎn)的中心管產(chǎn)品，模具充填效果良好，錐度區(qū)域均勻，產(chǎn)品表面光滑，各部位尺寸滿足要求，加工余量大幅度下降。不足之處是：由于坯料在模具內(nèi)整體成形，氧化皮不易清理，在模具內(nèi)成形完成后，產(chǎn)品桿部圓周方向粘連氧化皮較多，這對產(chǎn)品表面質(zhì)量有一定影響。雖經(jīng)多次嘗試，去除氧化皮的效果并不理想，還待后期進(jìn)一步解決。

結(jié)束語

經(jīng)過研究與實(shí)踐，新工藝生產(chǎn)的中心管產(chǎn)品，尺寸及各項(xiàng)力學(xué)性能均符合要求。產(chǎn)品的表面質(zhì)量得到大幅度提升，下料重量大幅度降低，并有效地提高了材料利用率，降低了機(jī)加工余量。目前已得到批量生產(chǎn)。新工藝的應(yīng)用表明用制坯+一次終鍛的方法生產(chǎn)中心管可行，對類似形狀尺寸的其他產(chǎn)品均可推廣使用。