長軸類鍛件的工藝節(jié)材

文/陸長青，田興平，王悅凱·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠

長軸類鍛件的工藝節(jié)材

文/陸長青，田興平，王悅凱·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠

大多鍛件的材料成本占到總成本的50%左右，提高鍛件坯料的成形利用率一直是鍛造成形工藝研究的重要內(nèi)容，是降低工藝成本最為有效的途徑之一，也是工藝優(yōu)化和改進(jìn)的重要目標(biāo)。大部分長軸類鍛件需要通過制坯工步改變?cè)鞯男螤?，沿軸向合理分配坯料，以適應(yīng)鍛件橫截面面積變化和形狀變化的要求，使模鍛時(shí)金屬能較好地充滿模膛，避免產(chǎn)生成形缺陷，提高材料利用率，降低成形力，提高模具壽命等。工藝方案、材料規(guī)格的確定和中間坯的設(shè)計(jì)對(duì)長軸類鍛件的工藝節(jié)材尤為重要。

計(jì)算毛坯法則的逆向思考

中間毛坯是依計(jì)算毛坯法則來設(shè)計(jì)的。計(jì)算毛坯是根據(jù)長軸類鍛件在模鍛模膛變形時(shí)金屬主要沿高度和寬度方向流動(dòng)且沿長度方向流動(dòng)很少的變形特點(diǎn)，基于軸向變形很小的平面變形假設(shè)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)相鄰近距離的橫截面突變處進(jìn)行修正，所得的具有圓形截面的毛坯，其長度與鍛件相等，橫截面積等于相應(yīng)的鍛件橫截面積與飛邊橫截面積之和。計(jì)算毛坯法則的基礎(chǔ)為假定軸向變形很小，橫截面的變形被認(rèn)為近似平面變形，在實(shí)際應(yīng)用中鍛件通常能較好成形，也會(huì)形成相對(duì)較為均勻的飛邊。既然計(jì)算毛坯法則的基礎(chǔ)是依長軸類鍛件變形特點(diǎn)而假定了一種條件，假定軸向變形很小，那么我們進(jìn)行逆向思考，有沒有軸向變形較大的情況？什么情況下會(huì)形成較大的軸向變形？若形成較大的軸向變形時(shí)鍛件是否能較好成形？這種較大的軸向變形能否被加以利用，以優(yōu)化中間毛坯和成形工藝，來降低鍛件的制造成本呢？

常規(guī)工藝示例

圖1為連接桿鍛件和中間坯。原工藝為自由鍛制坯，在考慮各種工藝因素的情況下，如桿部火耗、欠壓、彎曲、終鍛定位偏差、模具磨損和桿部長約260mm的12號(hào)凸字標(biāo)識(shí)成形等，中間坯桿部設(shè)計(jì)為φ85mm。圖2為該中間毛坯在13t模鍛錘鍛打成形后的飛邊，飛邊整體外形較為均勻，但對(duì)易于成形的桿部來說，該部位飛邊明顯偏大，材料利用率偏低，可通過提高桿部的坯料成形利用率來提高整體坯料的成形利用率。

圖1 鍛件和中間毛坯圖

圖2 鍛件飛邊

工藝改進(jìn)分析

桿體成形定性分析

為了降低能耗和提高效率，中間坯制坯由φ150mm的圓棒料整體加熱的自由鍛方式，改為細(xì)棒料兩端頭局部加熱的平鍛機(jī)制坯方式。按毛坯計(jì)算法則，加入飛邊、火耗、模具磨損量后，選用國標(biāo)料為φ85mm，仍與原工藝中間坯直徑相同，為了提高鍛件桿部坯料的成形利用率，需采用比φ85mm更小的料，如選用國標(biāo)料為φ80mm或φ75mm。如以桿部為φ80mm的中間毛坯成形桿部為φ80mm的鍛件且鍛件桿部形成適當(dāng)?shù)娘w邊，無充填缺陷，桿部長260mm的12號(hào)凸字標(biāo)識(shí)在形成適當(dāng)飛邊的阻力下能清晰成形。那么桿部形成飛邊的金屬從哪里來？前面提到了計(jì)算毛坯法則的逆向思考，如果軸向變形能提供桿部形成飛邊的金屬，那么采用φ80mm規(guī)格棒料的平鍛制坯工藝或綜合優(yōu)化的其他制坯方式如輥鍛或楔橫軋制坯等就都會(huì)成為可能。為此對(duì)工藝進(jìn)行了定性分析，通過對(duì)不同成形部位變形的先后和變形的程度、坯料富足區(qū)料的流動(dòng)趨勢(shì)、坯料桿部成形過程中存在回歸校正等的定性分析，認(rèn)為在原中間坯的基礎(chǔ)上直接將中間坯桿部直徑由φ85mm改為φ80mm具有很大的可能性。

成形的定量仿真分析

為了驗(yàn)證利用軸向變形的可行性，借助于虛擬成形軟件對(duì)其進(jìn)行工藝成形仿真分析。將圖1所示中間毛坯的桿體直徑由φ85mm改為φ80mm，仿真分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 連接桿中間毛坯桿體直徑為80mm的仿真分析結(jié)果

工藝實(shí)踐

圖4 為工藝優(yōu)化后鍛打成形的鍛件和毛邊，凸字標(biāo)識(shí)清晰，材料的利用率有了明顯的提高，模鍛成形由原錘擊10～11次，降到了5～6次，鍛件成形的鍛靠力和鍛打所需的能量明顯降低，生產(chǎn)效率有了明顯的提高。

圖4 鍛件及飛邊

半閉式模鍛工藝與增大軸向變形的應(yīng)用

半閉式工藝結(jié)構(gòu)形式

長軸類鍛件常用的半閉式的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。此類結(jié)構(gòu)是針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鍛件難以實(shí)現(xiàn)小飛邊半閉式工藝，需排出較多的金屬，同時(shí)又需增大局部擠壓成形的能力，或出于節(jié)約材料的需求。在側(cè)向縫隙分流器的小飛邊半閉式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，加大了側(cè)向縫隙的同時(shí)又具有開式的倉部結(jié)構(gòu)，以便容納更多的金屬。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)形式的模鍛工藝具有開式與閉式的雙重優(yōu)點(diǎn)，且具有廣泛的適應(yīng)性，相對(duì)開式結(jié)構(gòu)具有提前形成金屬外排阻力及明顯增大金屬外排阻力的特點(diǎn)，因而帶來了明顯的節(jié)材效果和提高模鍛過程中坯料的填充性能，相對(duì)開式模鍛工藝節(jié)材5%～15%。

常規(guī)應(yīng)用

圖6 為某曲軸模具的三維模型，曲柄軸向左右兩側(cè)采用半閉式結(jié)構(gòu)，前后端因材料富足，采用開式結(jié)構(gòu)以便于排出大量多余金屬。圖7為某曲軸鍛后的飛邊，采用半閉式結(jié)構(gòu)后，曲柄軸向左右兩側(cè)的飛邊相對(duì)開式模鍛的飛邊明顯減小，材料直徑規(guī)格從140mm減為135mm，用料減少5.6kg，材料的成形利用率提高了7%。

圖5 半閉式模鍛結(jié)構(gòu)

圖6 曲軸半閉式模鍛結(jié)構(gòu)

圖7 曲軸半閉式模鍛工藝形成的飛邊

某些曲軸具有明顯細(xì)長的前端，如圖8所示。在曲軸模鍛成形中此部位坯料成形利用率明顯偏低，即使此部位采用輥鍛制坯，因受兩道次縮減率的限制和受橫截面面積突變的過渡及確保第一曲柄平衡塊的正常充滿因素所限，模鍛后仍形成寬大、厚重的飛邊。

圖8 具有較長前端的曲軸

曲軸前端用料狀態(tài)如圖9所示，因坯料橫截面面積明顯大于曲軸前端橫截面面積，且形狀簡單，易于成形，材料富足，此部位常規(guī)工藝采用開式結(jié)構(gòu)，并選用減少金屬外排阻力的橋部參數(shù)。同時(shí)因材料富足，為相對(duì)節(jié)約材料，長度比鍛件略短，見圖9中標(biāo)注的ls，通常ls取值約為（ds-df）/3左右。為了進(jìn)一步節(jié)材，能否嘗試ls取更大數(shù)值呢？

圖9 曲軸前端的用料狀態(tài)

圖10 a為某曲軸前端的開式成形，且為ls取正常值時(shí)的成形狀態(tài)，成形良好。圖10b為增大ls后的成形狀態(tài)，平衡塊的飛邊明顯減小，影響了第一平衡塊的充滿成形，同時(shí)還產(chǎn)生了前端端面折疊。究其原因是由于當(dāng)金屬流動(dòng)接近端頭模壁時(shí)，端面產(chǎn)生明顯凹陷，近分模面部位產(chǎn)生貼合模壁的尖角形狀，當(dāng)尖角部分接觸到型槽末端時(shí)，沿根部工藝圓角回圈形成折疊，因坯料上下模部分流動(dòng)的差異性，產(chǎn)生部位一般位于下模部分。在模鍛錘上生產(chǎn)時(shí)，由于錘的高速打擊和存在很大流動(dòng)慣性的特點(diǎn)，此現(xiàn)象更為明顯。

圖10 ls取值對(duì)成形狀態(tài)的影響

增大軸向變形的工藝分析

能否以增加金屬外排阻力的方式來成形曲軸前端呢？增大前端左右兩側(cè)金屬外排阻力后，左右兩側(cè)富足的金屬在橫截面方向外排減少，會(huì)促使多余的金屬向前端軸向流動(dòng)變形，通過這種方式能否使ls進(jìn)一步增大來減小前端的用料呢？會(huì)不會(huì)影響第一平衡塊的充滿成形？前端端面是否會(huì)產(chǎn)生折疊缺陷？模擬結(jié)果表明，采用半閉式結(jié)構(gòu)和增大軸向變形的方式，在明顯節(jié)材的同時(shí)，第一曲柄的成形情況也有明顯的提升。僅此部位就節(jié)材6.3kg，較長前軸端的曲軸或類似結(jié)構(gòu)的鍛件，如一端或兩端具細(xì)長桿部結(jié)構(gòu)的長軸類鍛件會(huì)有更明顯的節(jié)材效果。但是否會(huì)產(chǎn)生前端面折疊呢？通過進(jìn)一步的成形分析發(fā)現(xiàn)，成形過程中坯料端面會(huì)出現(xiàn)中間凹陷，但此部位對(duì)應(yīng)橋部開口部位，完全成形后鍛件本體不會(huì)形成折疊，能很好地成形。

新的工藝思維方式帶來的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)許多工藝是完全遵循毛坯計(jì)算法則而設(shè)計(jì)的。如一些階梯軸是依階梯軸最大直徑選料，按最大直徑加相應(yīng)火耗和毛邊選擇原材料規(guī)格，當(dāng)階梯軸最大直徑處的長度與直徑比值較大時(shí)，會(huì)理所當(dāng)然；當(dāng)最大直徑處長度與直徑比值并不大時(shí)，也有這么做的。當(dāng)橫截面變化較大時(shí)，因截面突變處坯料需平滑過渡，同時(shí)需避免鍛件截面突變拐角處產(chǎn)生折疊缺陷，以及長度方向制坯偏差的補(bǔ)償和某些部位制坯的經(jīng)濟(jì)性考慮，會(huì)多處存在坯料富足區(qū)域，通常材料成形利用率不高。在新的工藝思維方式指導(dǎo)下，對(duì)某些階梯軸鍛件進(jìn)行了工藝優(yōu)化，用料規(guī)格明顯減小，材料成形利用率提高了5%左右。也有一些明顯類法蘭結(jié)構(gòu)的鍛件或局部用料偏大的鍛件完全遵循計(jì)算毛坯法則而設(shè)計(jì)，采用了自由鍛制坯和模鍛兩火次加熱生產(chǎn)，在新的工藝思維方式指導(dǎo)下，充分利用了軸向變形，對(duì)中間毛坯的坯料重新進(jìn)行軸向分配和優(yōu)化，減小了材料直徑規(guī)格，取消了制坯工序，減少了加熱火次，降低了制造成本。

利用軸向變形需注意的問題

如果法蘭（或類法蘭結(jié)構(gòu)）兩側(cè)金屬同時(shí)向法蘭對(duì)向流動(dòng)變形時(shí)，通常不會(huì)形成折疊缺陷。當(dāng)金屬單向發(fā)生較大的軸向變形而跨越法蘭時(shí)，須預(yù)防折疊缺陷的產(chǎn)生。圖11為曲軸油封法蘭折疊缺陷，圖9中呈現(xiàn)出的未完全閉合狀態(tài)，是具有油封法蘭的曲軸在調(diào)試中或坯料前后定位偏差較大時(shí)遇到的一種成形缺陷，其形成機(jī)理主要是此處成形初期成形了部分法蘭形狀，隨后的成形因坯料向曲軸后端方向發(fā)生了較大的軸向變形，而使已成形的部分形狀發(fā)生了明顯的軸向偏移。在成形后期的補(bǔ)料過程中產(chǎn)生了折疊缺陷。有預(yù)鍛的成形工藝可改變此處預(yù)鍛的形狀，弱化臺(tái)階，既可兼顧后端的材料成形利用率又可解決折疊缺陷。在沒有預(yù)鍛的成形工藝中，只有適當(dāng)加長后端坯料的長度來解決此類問題，或改變法蘭兩側(cè)的過渡形狀，來避免金屬軸向流動(dòng)跨越法蘭時(shí)形成折疊缺陷。

圖11 曲軸油封法蘭折疊缺陷

結(jié)束語

本文對(duì)計(jì)算毛坯法則進(jìn)行了逆向思考，對(duì)長軸類鍛件利用軸向變形的節(jié)材方式進(jìn)行了相關(guān)分析，可通過利用軸向變形對(duì)坯料規(guī)格和中間毛坯進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到明顯的節(jié)材和綜合降成本的效果。并對(duì)采用半閉式模鍛結(jié)構(gòu)，促使加大軸向變形的工藝方式進(jìn)行了可行性分析。在復(fù)雜長軸類鍛件的應(yīng)用中，需要進(jìn)行更為細(xì)膩的工藝分析。

（本文獲得《鍛造與沖壓》2015年有獎(jiǎng)?wù)魑牡诙?/p>