某導管沖頭斷裂原因分析及改進

文／黃貴林，張文博，徐學民·中車資陽機車有限公司鍛造事業(yè)部

某導管自生產(chǎn)以來，上模沖頭頻繁出現(xiàn)非正常斷裂現(xiàn)象，平均斷裂前的生產(chǎn)壽命為200件，嚴重制約了產(chǎn)品的正常生產(chǎn)，增加了模具的修模成本，直接影響產(chǎn)品的交付能力與贏利能力。本文分析了某導管上模沖頭非正常頻繁斷裂的原因，通過優(yōu)化模鍛工藝，增加預鍛工步，控制金屬成形時的流動，避免鍛造時產(chǎn)生偏心，使產(chǎn)品在鍛造成形過程中上中下三部分處于同軸的狀態(tài)，達到了解決上模沖頭非正常斷裂的目的。

鍛造特點及問題描述

鍛造特點

某導管是我部主要的汽車產(chǎn)品，年產(chǎn)量約15000件，鍛件圖見圖1。某導管的產(chǎn)品特點大致為上中下三部分：上部分為空心圓柱套，盲孔深度60mm，壁厚11mm；中間部分為φ182mm×21mm 的圓柱形法蘭盤；下部分為圓錐狀，最大高度222.5mm。產(chǎn)品鍛造時最大橫截面積24040mm2，最小橫截面積3473mm2，最大橫截面面積與最小橫截面面積之比為6.92，鍛件復雜系數(shù)S ＝0.25，依據(jù)鍛件形狀復雜系數(shù)分類屬于較復雜類別。

某導管產(chǎn)品在5 噸模鍛錘生產(chǎn)，鍛件質量11.5kg，下料質量13.5kg，下料尺寸為φ90mm×270mm。模鍛時經(jīng)過滾擠拔長、終鍛、切邊，一火次成形。

問題描述

某導管生產(chǎn)以來，上模沖頭頻繁地出現(xiàn)非正常斷裂現(xiàn)象，最小生產(chǎn)數(shù)量在30 件就出現(xiàn)斷裂，最大生產(chǎn)數(shù)量在400 件出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。期間一共斷裂8 次，平均斷裂前的生產(chǎn)數(shù)量為200 件，嚴重制約了產(chǎn)品的正常生產(chǎn)，增加了模具的修模成本，直接影響產(chǎn)品的交付能力與盈利能力，無論是模具制造維修、生產(chǎn)準備、訂單兌現(xiàn)、成本等方面均不能接受。

斷裂原因分析

圖1 某導管鍛件圖

經(jīng)過對沖頭斷裂后的斷口、產(chǎn)品成形情況、飛邊情況進行觀察，以及對鍛造成形過程的跟蹤，發(fā)現(xiàn)上模沖頭頻繁地出現(xiàn)非正常斷裂現(xiàn)象的共性為：⑴沖頭斷裂全部是從根部斷裂(圖2)；⑵斷裂時產(chǎn)品成形情況不理想，一邊飛邊大，一邊飛邊小甚至沒有飛邊，在飛邊較小的一側產(chǎn)品有未充滿的現(xiàn)象。再擴大范圍觀察，發(fā)現(xiàn)大部分飛邊均有嚴重偏心的現(xiàn)象。

圖2 沖頭斷裂圖

通過對產(chǎn)品出現(xiàn)的現(xiàn)象分析，基本認定上模沖頭頻繁地出現(xiàn)非正常斷裂的原因為：初始坯料經(jīng)過拔長制坯后坯料長度在320mm 以上，這時將坯料放入下模進行中間鐓粗，下模深度為178mm，露出下模長度大于140mm。拔長時，圖3 中小頭的錐度部分與沒有變形的圓柱部分不會完全同軸且有彎曲產(chǎn)生，放入下模后坯料不會正好垂直于鍛模分模面。在中間鐓粗的變形過程中，產(chǎn)品在分模面以上的金屬會產(chǎn)生偏心現(xiàn)象(圖4)，偏心的金屬首先填充阻力較小的型腔，當阻力較小的型腔基本成形后，金屬受到鍛模橋部阻力的作用，大量的金屬逐漸向偏心的另一側流動，流動的金屬對上模沖頭產(chǎn)生巨大的水平推力(圖5)。在批量生產(chǎn)過程中，上模沖頭在水平推力反復、循環(huán)作用下最終造成周期性的斷裂。

確定改進工藝方案

確定工藝方案

通過對上模沖頭頻繁地出現(xiàn)非正常斷裂的原因分析得出，鍛造時金屬偏心引起的水平推力是沖頭斷裂的主要原因。要解決沖頭斷裂就得消除水平推力，要消除水平推力就得解決產(chǎn)品鍛造時上中下三部分金屬的偏心問題，即保證該導管鍛造時上中下三部分金屬始終處于同軸狀態(tài)。

為了保證導管鍛造時上中下三部分金屬始終處于同軸狀態(tài)，在不增加鍛造火次和模具投入的前提下，增加預鍛工步是最便捷的措施。即將模鍛時滾擠拔長、終鍛、切邊優(yōu)化為滾擠拔長、預鍛、終鍛、切邊。

鍛模改進

鍛模改進的內(nèi)容主要是增加預鍛型腔，保證產(chǎn)品在經(jīng)過滾擠拔長后，將坯料置于預鍛型腔中進行一次中間鐓粗，得到上中下三部分金屬處于同軸狀態(tài)的預鍛坯料。

圖3 某導管拔長制坯圖

圖4 偏心示意圖

圖5 偏心金屬流動示意圖

圖6 預鍛型腔

圖7 鍛模布局

經(jīng)過計算得出預鍛后的坯料尺寸，經(jīng)過預鍛坯料尺寸得出預鍛型腔圖(圖6)，結合導管原來的鍛模結構，優(yōu)化后得到鍛模布局圖(圖7)。

生產(chǎn)試制與效果分析

生產(chǎn)試制

按上述方案制作完導管鍛模，按照滾擠拔長、預鍛、終鍛、切邊的工藝進行生產(chǎn)，鍛造過程中勤吹氧化皮和撒鋸末，模鍛后的飛邊均勻，沒有出現(xiàn)金屬偏心的現(xiàn)象，得到的導管見圖8。批量生產(chǎn)后，產(chǎn)品飛邊全部均勻(圖9)，鍛造過程觀察也沒有出現(xiàn)金屬偏心的現(xiàn)象。工藝改進后，累計生產(chǎn)已過萬件，上模沖頭再沒有發(fā)生過斷裂。

效果分析

⑴有形效果分析。

圖8 導管實物圖

圖9 導管飛邊均勻性一致

某導管鍛件工藝改進后，上模沖頭再沒有發(fā)生過斷裂。與之前平均壽命200 件相比，按照年均產(chǎn)量15000 件計算，每年減少修模75 次，為企業(yè)節(jié)約了數(shù)十萬元的修模成本。

⑵無形效果分析。

導管鍛件工藝改進后，上模沖頭再沒有發(fā)生過斷裂，保證了生產(chǎn)的正常進行，保證了訂單的兌現(xiàn)，占領了市場份額，確保了產(chǎn)品的贏利能力。

結論

⑴經(jīng)生產(chǎn)驗證，導管沖頭斷裂原因分析正確、透徹，鍛造工藝方案改進可靠、操作性強，并按照改進后的鍛造工藝投入了正式生產(chǎn)。

⑵隨著某導管鍛造工藝改進的實施，上模沖頭非正常斷裂的現(xiàn)象得到了徹底的根絕，降低了模具的修理費用，生產(chǎn)得以正常進行，保證了訂單的兌現(xiàn)，確保了產(chǎn)品的贏利能力，達到了降本增效的目的。