軸類鍛件立式鍛造超鐓粗比時鍛件成形工藝的研究

文／姚毅，陳艷杰，于世方，楊成忠·一汽鍛造（吉林）有限公司

軸類零件在鍛壓機上鍛造時，依據(jù)分模方式不同，可分為立式鍛造和臥式鍛造。在鍛壓機上采用閉式熱頂鍛工藝時，依據(jù)不同軸徑留取最小加工余量，可以設(shè)計出不同形狀的鍛件(圖1)。鍛件的形狀與后序成形工藝難易程度有非常大的關(guān)系。但有時為了滿足用戶減少加工量的要求，不得不采用成形工藝難度較大的鍛件形狀，如圖1(b)所示形狀。本文就針對此種情況，對鍛件的成形工藝選擇和模具設(shè)計進行介紹。

成形工藝方案選擇

鍛件圖確定后，接下來需要設(shè)計鍛件的成形方案。對于圖1(b)形狀鍛件，采用熱頂鍛閉式鍛造，可設(shè)計兩種成形方案。

⑴坯料規(guī)格按中間部位臺階尺寸進行選取，通過擠壓成形最小直徑的桿部，鐓粗成形最大直徑法蘭來成形最終鍛件。

⑵坯料規(guī)格按最小直徑的桿部尺寸進行選取，通過連續(xù)鐓粗成形中間臺階和最大直徑法蘭來成形最終鍛件。

采用成形方案1，由于坯料規(guī)格和最小直徑的桿部外徑相差20毫米，桿部長度達130毫米，在傳統(tǒng)的三工位鍛壓機上，想要通過擠壓成形桿部，通過Forge軟件模擬和實際經(jīng)驗驗證，都不能將桿部完全充滿。所以，只能選用成形方案2。而選取成形方案2時，坯料長度和直徑的比值達到7.3，即使不計入桿部的微變形，鐓粗比也達到4.3，此時，由于，鍛件鐓粗比遠遠超過不失穩(wěn)比值，鍛件在鐓粗成形時很容易失穩(wěn)。為了實現(xiàn)在鍛壓機上三個工位成形鍛件，這就需要在模具設(shè)計時采取措施。

模具設(shè)計

由于鐓粗比大，在模具設(shè)計時，需要充分考慮，合理分配各工位鐓粗比值，以保證各工步鍛件成形良好。

使用Forge軟件對各工位成形進行模擬，確定各工位模具型腔尺寸，形成模具裝配如圖2所示。

鐓粗工位

在設(shè)計鐓粗模具時，除了考慮鍛造鐓粗比外，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計還需要考慮以下幾個方面因素。

⑴為保證選擇的坯料長度能夠放入模具型腔，坯料規(guī)格長度的選擇，需要考慮到設(shè)備的行程和模具的閉合高度。如果設(shè)備的行程小于坯料長度，可以增加上下模具之間的間隙值，以滿足坯料能夠放進型腔。在放入坯料時，可以把坯料先打斜，歪著放入型腔，在坯料逐步落入下模過程中，慢慢扶正坯料。這樣，間接地增加了設(shè)備可以放入坯料的長度。如果遇到上下模具型腔深度很深，模具所剩余部分的強度不能滿足材料承受的鍛打沖擊強度，這時，可以將模具和模座設(shè)計成一個整體，以增加模具的強度，保證鍛打過程中模具不破裂。

⑵下料時，坯料的端面斜度對鐓粗比有著非常大的影響。坯料端面斜度的存在，會導(dǎo)致坯料在成形時變形不均勻，成形結(jié)束時，鐓粗件出現(xiàn)如圖3所示不對稱的變形。

如果斜度非常大，可能需要減小成形的鐓粗比，才能使鍛件成形良好，這樣就會對以后幾步成形造成影響，進而導(dǎo)致最終不能成形鍛件。因此，建議采用能夠保證端面斜度的下料方式進行下料。

圖3 變形不均勻

⑶錯差因素對成形的影響。鍛件錯差的影響，一個是會造成坯料鐓偏失穩(wěn)，另一個就是導(dǎo)致在下一步成形時形成折疊。如果設(shè)備的精度能夠保證錯差在可以控制的范圍內(nèi)，模具就不需要采用額外的保證錯差的結(jié)構(gòu)，如果不能，上下模具就需要設(shè)計鎖扣來保證鍛件的錯差。模具鎖扣設(shè)計時，除注意鎖扣間隙值外，最應(yīng)該注意的就是鎖扣的導(dǎo)向長度。導(dǎo)向長度需要保證，上模型腔底部接觸坯料時，模具導(dǎo)向已經(jīng)嚙合，不然設(shè)計的鎖扣所起的作用將大打折扣。

⑷上下模具之間的間隙值對成形的影響。間隙值越大，越需要精確計算成形部分的體積，因為沒有型腔的限制，間隙部位坯料直徑的變化難以控制。如果計算不當(dāng)，會導(dǎo)致此部位變形過大，如超過預(yù)鍛型腔尺寸，坯料將不能完全放入預(yù)鍛型腔，輕者會出現(xiàn)預(yù)鍛成形過程中刮蹭金屬形成折疊，嚴重時則會導(dǎo)致成形徹底失敗。

預(yù)鍛工位

預(yù)鍛設(shè)計時，需要注意的是型腔的體積一定要大于坯料的體積，這樣就能夠保證預(yù)鍛件成形時不會在上下模具閉合的間隙部位擠出毛刺。預(yù)鍛如果出毛刺，在終鍛時就會壓入鍛件形成折疊。如果由于缺乏實際經(jīng)驗，導(dǎo)致預(yù)鍛體積計算不足，在生產(chǎn)時預(yù)鍛稍微出毛刺，我們還可以通過微調(diào)設(shè)備封閉高度，保證在預(yù)鍛不出毛刺的前提下，在終鍛加墊片的方式解決問題。

如果鍛件的鐓粗比在預(yù)鍛時仍舊超過鐓粗不失穩(wěn)的正常值，這時，我們預(yù)鍛上模就需要設(shè)計型腔，以保證鍛件的成形效果。

終鍛工位

終鍛模具的設(shè)計基本是按部就班，將鍛件圖按熱尺寸進行設(shè)計就可以了。在本案例中，需要關(guān)注的是上頂桿的尺寸，設(shè)計的原則就是要保證芯子的壁厚，如果壁厚不足，在連續(xù)生產(chǎn)時，芯子會變形，導(dǎo)致鍛件凹槽部位尺寸不合格。另外，根據(jù)實際情況，還可以不需要上頂桿，只要保證鍛件不粘模就可以了。

如果遇到鐓粗比大，預(yù)鍛件上模還有型腔這種情況，終鍛仍舊需要成形鍛件。此時，就需要考慮增加導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，原則仍舊是在上模芯子接觸預(yù)鍛件時，導(dǎo)向機構(gòu)已經(jīng)導(dǎo)向，這樣才能夠保證鍛件凹坑的尺寸以及錯差。圖4為最終鍛打出的鍛件實物。

圖4 終鍛件

結(jié)束語

本文重點介紹了軸類件在立式閉式鍛造時，鍛件成形部分超過鍛造鐓粗比時的成形工藝和模具設(shè)計要點。經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，工藝、設(shè)計方案可行。通過此種成形方法，將單件鍛件的重量減少了1.23kg，不但降低了我公司自身成本，還為客戶減少了加工成本，實現(xiàn)了雙贏。