鍛鋼活塞裙切邊工藝分析

文／王濤，王飛，金朝暉，徐寶國·安徽安簧機械股份有限公司

鍛鋼活塞裙通常采用的是開式鍛造工藝，這就決定了切邊是不可避免的一道生產(chǎn)工序。然而，在切邊工序中，經(jīng)常會遇到以下兩個常見問題：一是因切邊模具設(shè)計不合理造成活塞裙殘留飛邊過大，超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)需要打磨返工，造成浪費；二是因切邊造成活塞裙臺階面變形，導(dǎo)致產(chǎn)品無法滿足客戶圖紙尺寸公差要求而報廢。

由于切邊工藝過程高度非線性，而且涉及到多門學(xué)科，比如材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)，相關(guān)理論研究很少?，F(xiàn)針對鍛鋼活塞裙切邊工藝進(jìn)行分析，給出切邊用的凸凹模關(guān)鍵尺寸設(shè)計公式以及切邊常見問題的解決方法。

切邊用凸凹模關(guān)鍵尺寸設(shè)計

在鍛鋼活塞切邊模具設(shè)計中，有兩個關(guān)鍵尺寸對切邊質(zhì)量來說十分重要，那就是切邊凸模的最大外圓尺寸D凸和切邊凹模的刃口尺寸D凹，見圖1 和圖2。

圖2 切邊凹模

切邊凸模在切邊過程中起到傳遞壓力的作用，切邊凹模起到切刃飛邊的作用。首先要確定切邊凹模的刃口尺寸D凹，再根據(jù)刃口尺寸D凹確定切邊凸模的最大外徑D凸。

在進(jìn)行活塞裙模具設(shè)計時，活塞裙鍛件的熱縮率取1.015，鍛造時的溫度在1200℃左右。而在實際生產(chǎn)中，切邊時活塞裙的溫度會從1200℃降到1000℃左右，這就需要考慮溫降引起的鍛件收縮率的變化。鍛件在放入凹模中進(jìn)行切邊時，其外形尺寸已經(jīng)冷卻收縮。

下面介紹活塞裙鍛件在切邊時熱收縮率的求解過程。為簡化研究，將鋼材的熱膨脹系數(shù)α 視為常數(shù)，不考慮其隨溫度的變化而變化。假設(shè)活塞裙鍛件在1000℃時的熱收縮率為A。鍛造時鍛件從室溫加熱至1200℃，一般室溫取20℃，活塞裙在常溫(冷態(tài))時分模線的直徑為D。

α×(1200-20)=1.015D-D (1)

α×(1000-20)=A×D-D (2)

由式(1)和式(2)，求得A ≈1.0125。

那么，D凹=1.0125D+2×鍛件允許的殘留飛邊-模具制造上偏差，D 為活塞裙在冷態(tài)時分模線的尺寸，模具制造的上偏差取決于模具制造水平，模具型腔尺寸制作精度一般可以控制在±0.3mm 以內(nèi)。鍛件允許的殘留飛邊參照客戶標(biāo)準(zhǔn)或《鋼質(zhì)模鍛件公差及機械加工余量》國家標(biāo)準(zhǔn)。

D凸=D凹-2×切邊壓力機導(dǎo)柱導(dǎo)套之間的單邊間隙-切邊凹模和切邊凸模裝配的中心偏差，切邊模架的導(dǎo)柱和導(dǎo)套之間的單邊間隙一般為0.2 ～0.3mm，切邊凹模和切邊凸模裝配中心偏差根據(jù)模架和切邊模具制造安裝水平確定，一般可以控制在φ0.4mm 以內(nèi)。

鍛鋼活塞裙切邊常見問題的解決方法

殘留飛邊過大的解決方法

合理設(shè)計切邊凹模刃口的輪廓尺寸D凹，因為切邊凹模的刃口在切邊過程中起到切刃飛邊的作用，所以切邊凹模的刃口尺寸設(shè)計是否合理決定了殘留飛邊的大小。

切邊變形的解決方法

活塞裙在切邊時經(jīng)常出現(xiàn)厚裙外側(cè)臺階面變形問題，見圖3 和圖4。

圖3 活塞裙臺階面變形部位

圖4 三坐標(biāo)掃描檢測結(jié)果

活塞裙的切邊變形是一個受到多因素影響、較復(fù)雜的問題。為簡化研究，將切邊過程看作一個純剪切過程，切邊力F=π×(D凹/2)2×t×τ，D凹為切邊凹模刃口直徑；t 為切邊時實際剪切厚度；τ 為鍛件材料切邊溫度下的抗剪強度。

針對切邊變形情況，給出以下防止或減小變形的方法。

⑴合理設(shè)計切邊凹模刃口的輪廓尺寸D凹，防止切邊時產(chǎn)生過切導(dǎo)致切邊力的急劇增加。在能滿足鍛件殘留飛邊的前提下，采用上述公式計算時，切邊凹模刃口的輪廓尺寸盡量取較大值。

⑵合理設(shè)計切邊凹模的刃口形式。在能滿足切邊凹模刃口強度的前提下，盡量減小刃口寬度L，一般取5mm。對于鍛鋼活塞裙法蘭厚度較薄的產(chǎn)品，由于直刃口剪切工作帶較長，切邊力較大，切邊凹模的刃口形式可以由直刃口(見圖5)改為斜刃口(見圖6)，斜刃口可以減小切邊力F，有效減小活塞裙因切邊造成的變形。

圖5 直刃口形式的切邊凹模

圖6 斜刃口形式的切邊凹模

⑶合理設(shè)計活塞裙鍛件分模線的位置，確保切邊時活塞裙鍛件放到切邊凹模里能夠有效、可靠地定位。防止切邊時因定位不當(dāng)造成一邊過切，一邊殘留飛邊偏大，切邊受力不均勻也會導(dǎo)致變形。

⑷控制切邊時的鍛件溫度。根據(jù)切邊力計算公式，切邊力的大小和鍛件材料抗剪強度有關(guān)，而材料的抗剪強度和溫度的關(guān)系呈非線性負(fù)相關(guān)。鍛件溫度越高所需的切邊力越小。根據(jù)車間實際操作經(jīng)驗，活塞裙切邊時的溫度要求控制在850℃以上。

⑸減小切邊凸凹模間隙，可以減小引起變形的外力彎矩。但需要考慮到切邊壓力機的導(dǎo)向精度和切邊凸凹模的裝配中心偏差，間隙過小在切邊過程中易導(dǎo)致凹模刃口被凸模損壞。

⑹除了以上幾點，還可以考慮以在終鍛模具上做局部補償?shù)姆绞浇鉀Q鍛件變形問題，即在活塞裙變形部位反方向改變終鍛模的形狀尺寸，使得鍛件變形后可以回調(diào)到所需要的尺寸公差范圍內(nèi)。

結(jié)束語

本文的目的是為了解決活塞裙切邊工序經(jīng)常出現(xiàn)的殘留飛邊過大和切邊變形問題。從理論層面，給出切邊用模具關(guān)鍵尺寸的設(shè)計公式。利用該設(shè)計公式并結(jié)合切邊力計算公式，為解決殘留飛邊過大和切邊變形問題提供分析思路，并給出相應(yīng)解決方法。