薄型鍛件閉式鍛造工藝與模具設計

馬麗　趙紅圖

摘要：分析了薄形鍛件結合齒圈的閉式鍛造工藝及模具設計。該工藝具有材料利用率高、鍛件質量好、廢品率顯著降低等優(yōu)點。

關鍵詞：薄形鍛件;閉式鍛造;模具設計

在鍛造生產過程中，往往會遇到直徑較大而厚度非常薄的鍛件。所謂薄形鍛件是指圓形鍛件的厚度與直徑之比h/d≤0.2時的鍛件，該類鍛件復雜系數為S4級，屬于復雜類鍛件。此類鍛件成形困難，且沖孔、切邊變形大。閉式鍛造一直是鍛造生產所努力追求的目標。它所帶來的經濟效益是不言而喻的。從鍛件的成本構成看，飛邊一般占鍛件質量的10%～35%，同時還增加了切邊工序，模具壽命較低，一套模具約生產2000～3000件。

針對上述情況，現將結合齒圈鍛件設計為閉式鍛件，設計承載設備2500t鍛壓機，分預終鍛成形，不僅解決了成形困難問題，同時還省去了切邊工序。

1閉式鍛造工藝概述

閉式鍛造即無飛邊鍛造，一般在鍛造過程中上模與下模的間隙不變，坯料在四周封閉的模膛中成型，不產生橫向飛邊，少量的多余材料將形成縱向飛刺，飛刺在后續(xù)工序中除去。

閉式鍛造工藝具有明顯的優(yōu)點，主要表現為：鍛件幾何形狀、尺寸精度和表面質量最大限度地接近產品，省去了飛邊，與開式模鍛相比，閉式模鍛可以大大提高金屬材料的利用率。

采用閉式鍛造，需要具體的必要條件：坯料體積準確;坯料形狀合理并且能夠在模膛內準確定位;設備打擊能量或打擊力可以控制;設備上有頂出裝置。

2.鍛造工藝分析

結合齒圈零件是一個典型的薄形零件，零件尺寸外徑準145.8mm，最大外圓厚度僅9.3mm。圓盤直徑與厚度比h/d=0.064，屬于典型的薄形鍛件。

3.閉式鍛造工藝的制定

3.1毛坯圖的制定

閉式鍛件圖整體單邊余量2mm，外圓出模角2°，允許上尖點處未充滿圓角R≤4mm，未增加薄壁處厚度。鍛件質量1.99kg。

3.2熱鍛件圖的制定

為了抵消沖孔變形引起的凹陷，設計中從外圓設計一個2°的工藝錐度。增加工藝錐度后，將毛坯的上端面平面度控制在0.8mm以內，保證了產品的質量，而且不必另增加一道校平工序。薄形鍛件閉式鍛造預鍛型腔設計至關重要。預鍛工步主要是預成型和分料作用，使料在終鍛型腔中分流均勻、定位準確，不出現毛刺及充不滿現象。應用成型軟件Deform模擬，最終確定預鍛型腔圖。

鐓粗工序為自由鐓粗。預鍛型腔中的準86.1mm凹臺是鐓粗毛坯定位位置。起初設計成型鐓粗，由于剪切料的端面不平整，導致鐓粗后的毛坯分料嚴重偏斜，致使預鍛毛坯外圓出現一邊充不滿，一邊出毛刺現象。改進后靠內凹臺定位，不僅簡化了鐓粗臺的形狀，而且對剪切料的端面要求降低，料定位及分料問題也得到了解決，從而使預鍛到終鍛定位、分料及充滿得到良好的效果。同樣也考慮沖孔變形，從外圓處引一2°的角度，彌補了沖孔變形帶來的料凹陷現象，同時也解決了終鍛尺寸準57.3mm充滿問題。模具壽命也從模鍛的兩三千件增加到現在的萬件以上。

4.模具設計

4.1閉式鍛造的金屬變形過程

第一階段，基本成形階段。在這個階段中，金屬坯料從初始的形狀開始變形直至基本充滿模具型槽，變形力的增加比較緩慢。凸模向下移動△H1。

第二階段，充滿型槽階段。此階段是從第一階段結束到金屬完全充滿型槽。這一階段的顯著特點是，變形力急劇增加，大約為第一階段末變形力的2～3倍，但變形量卻很小。凸模向下移動△H2。

第三階段，形成縱向毛刺階段。坯料經過第二階段的變形后，已經充滿模具型槽，基本上不再變形了，這時如果上模繼續(xù)下壓的話。坯料內部的鑄造枝晶、空洞、疏松等得到破碎、鍛合和壓實。如果鍛壓力很大的話，金屬將會在上下模具的間階內流動形成縱向毛刺。凸模向下移動△H3。

4.2模具設計分析

設計模具結構，除鍛壓機自帶的導柱導套導向外，設計中還使用了模口導向，有效地保證了導向的精度。當上模進內芯固定圈10mm時，單邊間隙設計為0.2mm，可根據啃咬情況調整錯差。在此結構中內芯固定圈是易損件，需經常更換;其下模壓圈采用螺栓結構，以方便下模內芯的裝卸。在鍛造過程中，操作人員根據毛坯充滿情況調節(jié)閉合高度。當上、下模閉合后，上模退出，頂桿頂出鍛件，然后在壓床上沖孔。

5.工藝的優(yōu)越性及特點

（1）材料利用率高，節(jié)材降耗。由于是無飛邊鍛造，再加上加工余量的減小，鍛造材料消耗明顯降低。開式工藝用料為準60mm×120mm/2.65mm，單件定額為2.77kg;閉式工藝用料為準60mm×98.6mm/2.188mm，單件定額為2.27kg。每件毛坯節(jié)約材料0.5kg，月需求量約為8萬件，僅該產品可為公司每年節(jié)約材料480t以上，經濟效益不言而喻。

（2）模具結構簡單，拆裝方便，壽命長。在此結構中，下模內芯是易損件，為了方便凹模的更換，其壓圈采用螺栓結構，以便于凹模的裝卸。使用預、終鍛型腔，模芯冷卻效果好，能夠保證模具在正常溫度下工作，使模具壽命也從模鍛的兩三千件增加到現在的萬件以上，從而大大降低了更換模具所耗費的時間及人力，也減輕了操作人員的勞動強度。

（3）生產效率高，鍛件質量好。使用閉式鍛造，班產量均在2000件以上，主要原因是操作簡單，省去了切邊工序。模鍛時，鍛件廢品主要是沖孔凹陷及錯差兩個原因，尤其是錯差一直是困擾薄形鍛件難以解決的問題。閉式鍛件由于是單型腔成型，凸模與凹模之間極限錯差為0.4mm，遠低于圖紙要求的≤0.8mm，優(yōu)勢顯而易見。由于是鍛壓機鍛造，鍛件定位準確;又有鐓粗去氧化皮工序，鍛件外表面質量好，廢品率低。

6.結束語

結合齒圈是薄形鍛件的代表之一，在鍛造過程中調整工藝方案可靠后，閉式鍛造工藝優(yōu)勢明顯，模具結構合理，鍛件質量高。該工藝具有節(jié)材節(jié)能、生產效率高、鍛模壽命長、產品質量好、生產成本低等優(yōu)點。該類薄形件在閉式工藝下的成功試制，對以后一些復雜薄形鍛件的閉式設計具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1]李養(yǎng)娟，余意.模鍛錘閉式鍛造下鑲塊模模具設計改進[J].鍛造與沖壓，2019（15）.49-50.

[2]彭長貴，莫競芳，黃林春，等.離合器外殼閉式模鍛工藝設計[J].新技術新工藝，2018，000（009）：68-70.

[3]張向卓，李文新，李士磊.模鍛錘閉式精密鍛造工藝優(yōu)化[J].金屬加工：熱加工，2018，806（11）：76-77.

[4]陳國苗.活扳手扳口精密閉式鍛造工藝及其模具設計[J].工具信息與標準，2003，000（001）：9-11.

[5]夏巨諶，胡國安.閉式模鍛模具上分流器的設計[J].鍛壓技術，2009（01）：8-13.