模鍛錘閉式精密鍛造工藝優(yōu)化

■ 張向卓，李文新，李士磊

眾所周知，模鍛錘是應(yīng)用最廣的一種模鍛設(shè)備。開式模鍛工藝適應(yīng)性強，所以目前錘上模鍛大多以開式模鍛為主。但是由于開式模鍛不可避免會產(chǎn)生飛邊，導(dǎo)致原材料利用率較低，且較之閉式鍛造還需要增加切邊工序。隨著設(shè)備精度及下料精度的提升，通過工藝優(yōu)化，可在模鍛錘上實現(xiàn)簡單件的精密成形。

以某輕型貨車變速器中某齒輪件為例（見圖1），通過工藝優(yōu)化，實現(xiàn)錘上精密鍛造，并最終獲得質(zhì)量良好的鍛件。

圖1 齒輪件剖面

1. 原工藝存在問題

此齒輪件由于生產(chǎn)批量不大，故設(shè)計在模鍛錘上生產(chǎn)，且考慮此齒輪件為簡單盤類體，易于充形，故設(shè)計為模鍛錘上閉式鍛造，并在鍛造中直接鍛出油槽。但實際生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)有以下幾點問題：

（1）鍛后油槽表面有類似壓痕的缺陷。

（2）鍛件有局部出毛刺和充不滿的現(xiàn)象。

（3）鍛件偶有折疊缺陷。

經(jīng)觀察分析，在模鍛錘上鍛造時，鍛件極易跳模，跳模后鍛件周向無法重新準(zhǔn)確定位，因此，經(jīng)多次鍛打時油槽錯位，導(dǎo)致油槽處產(chǎn)生類似壓痕的缺陷。

另外，利用模鍛錘平砧制坯時，坯料直徑及厚度波動較大，坯料在型腔中無法準(zhǔn)確定位，直徑偏小時放入型腔后間隙大容易放偏，直徑偏大時又不能完全放入型腔，這些都會導(dǎo)致鍛件局部出毛刺和充不滿。

對于鍛件折疊，經(jīng)模擬分析發(fā)現(xiàn)在鍛打時如果打擊能量過高，會出現(xiàn)局部金屬橫向流動過快，帶動周邊金屬流動，從而產(chǎn)生了類似對流的現(xiàn)象并造成折疊。

2. 工藝改進

針對原工藝存在的問題，分析后進行如下改進：

（1）為防止鍛件跳模導(dǎo)致油槽成形出現(xiàn)缺陷，在下模設(shè)計用于定位鍛件的余塊，下模及定位余塊結(jié)構(gòu)如圖2b所示，定位余塊設(shè)計在連皮位置，沖孔時可直接沖掉，因此，不會導(dǎo)致鍛件局部加工余量增加，并且余塊體積小，對原材料消耗影響不大。

（2）閉式鍛造中，鐓粗制坯餅大小至關(guān)重要，為保證制坯餅大小，在模體上設(shè)計鐓粗臺，鐓粗臺如圖2c所示。通過上下模體對擊，利用鐓粗臺固定高度可以保證制坯餅厚的一致性，從而保證制坯餅的大小。

（3）完成設(shè)計后，利用Deform軟件進行模擬仿真，旨在驗證方案的可行性及合理設(shè)定每錘鍛打的打擊能量。

3. DEFORM-3D模擬及實際生產(chǎn)情況

對于該設(shè)計方案，利用Deform-3D進行模擬仿真分析。結(jié)合實際情況，模擬過程的各項參數(shù)設(shè)定如附表所示。

圖2 模具

模擬過程參數(shù)設(shè)定

圖3為用Deform-3D進行模擬的結(jié)果，第495步（見圖3a）、第608步（見圖3b）、打擊能量曲線（見圖3c）。圖3c中曲線為設(shè)備載荷曲線，其中X坐標(biāo)為模擬過程的步數(shù)，Y坐標(biāo)為設(shè)備載荷，其中1～481步為鐓粗制坯過程，482～609步為成形過程。通過模擬可以看出，定位余塊在成形初始時已充滿，可保證利用余塊定位的可靠性，如圖3a所示；成形過程金屬流動順暢，油槽及減重凹槽處的充滿效果良好，無折疊等缺陷產(chǎn)生，如圖3b所示。經(jīng)模擬分析，此方案可行，進而進行實際生產(chǎn)。

生產(chǎn)用的模鍛錘、鍛件及成品實物如圖4所示。

圖3 Deform-3D模擬結(jié)果

圖4 生產(chǎn)實物

4. 結(jié)語

利用優(yōu)化后工藝進行實際生產(chǎn)時，制坯大小合適，定位良好，定位余塊可以準(zhǔn)確定位保證鍛件油槽方向，實際生產(chǎn)的鍛件質(zhì)量穩(wěn)定，無折疊及局部出毛刺和未充滿等缺陷的產(chǎn)生；根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了鍛錘打擊能量的設(shè)定，提高了生產(chǎn)效率的同時，模具壽命也得到提高?，F(xiàn)此齒輪鍛件已順利完成批量生產(chǎn)，成品已應(yīng)用于某品牌輕型貨車上。

對于類似件如采用本方案進行生產(chǎn)時，有以下幾點建議：

對于模鍛錘上閉式生產(chǎn)，設(shè)備的下頂出是必要的。

閉式鍛造對制坯大小要求更為嚴(yán)格，為保證制坯尺寸，可在模具上設(shè)計鐓粗臺。

設(shè)計模具時要合理設(shè)計導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，防止嚴(yán)重錯模。

成形過程中如果打擊能量過大，容易造成折疊等缺陷，因此建議先輕擊預(yù)變形后再重錘充形。

根據(jù)Deform模擬情況合理設(shè)定打擊能量，可以避免能量浪費，減少模具吸收的打擊能量，有效提高模具使用壽命。