彭長貴，莫競芳，黃林春，牛香草

(江麓機電集團有限公司，湖南 湘潭 411100)

閉式模鍛工藝的基本原理是在封閉的型腔中，采用上下2個模具(或組合模具)對毛坯進行鐓粗+擠壓成形。其主要優(yōu)點如下：1)可以使毛坯在一次加熱和鍛壓設備一次行程中獲得形狀復雜的無飛邊鍛件，尺寸精度及材料利用率顯著提高，同時省去鍛后的切邊工序，大大降低能源消耗，生產效率也隨之提高；2)成形時金屬處于三向不均勻壓應力狀態(tài)，有利于提高金屬塑性，允許被加工的金屬有很大程度的變形，可提高鍛造復雜形狀的能力，減小設備噸位；3)由于不形成飛邊，鍛件的顯微組織和力學性能也比采用開式模鍛的要好；4)采用頂出機構，可減小毛坯各部分的余量、余塊及拔模斜度，節(jié)約機加粗加工工時，降低生產成本，從而提高產品的市場競爭能力[1]。

鍛件離合器外殼是裝甲車輛傳動裝置的一個重要零件。由于其生產批量、設備等因素制約，采用外協(xié)生產，成本居高不下；為此，本文以2500 t電動螺旋壓力機應用為背景，以離合器外殼為對象，開展閉式模鍛精確成形技術研究。

1 優(yōu)化前工藝方案

1.1 工藝設計方案

在產品尺寸的基礎上加放機加余量后的鍛件工藝簡圖如圖1所示。

圖1 工藝簡圖

噸位P計算如下：

P=(17.5～28)KF

式中，17.5～28為變形困難及生產效率系數(shù)；K為鋼種系數(shù)；F為鍛件變形包括飛邊和連皮在內總面積，單位為cm2。代入數(shù)值，計算得：

根據(jù)理論計算結果，該產品在2500 t電動螺旋壓力機上成形，已超過極限，可能會出現(xiàn)鍛件打不靠、充不滿的問題。

1.2 模具設計方案

鍛模結構示意圖如圖2所示。模具主要由上模芯、模套和下模、頂料桿組成。

圖2 鍛模結構示意圖

模具具體設計方案如下。

1)模具上、下模定位導向分別由上下模套定位和導柱導向，該結構制造簡單，定位和導向準確，調整模具方便，不易出現(xiàn)錯模。在與上、下模的配合部分可能會出現(xiàn)縱向飛邊，只要合理設計間隙和制坯尺寸，控制好打擊力及次數(shù)，就可避免出現(xiàn)較大的飛邊。

2)鍛件頂出由液壓頂出機構通過頂料桿將鍛件頂出，鍛件取出方便。

3)拔模斜度。鍛件高度較小，成形后，由于鍛件的彈性變形和冷卻收縮，鍛件與模具形成較小的間隙，很容易被頂料桿頂出，因此鍛件外拔模斜度設計為3°；生產過程中容易出現(xiàn)由于熱收縮而產生鍛件粘模具現(xiàn)象，造成出模困難、生產中斷和模具提前失效等后果，因而內拔模斜度設計為5°。

4)過渡圓角半徑。如果鍛件的凸角半徑太小，即模具的凹角半徑過小，則材料充滿模具凹角時就需很大的壓力，空氣及潤滑劑容易閉塞在凹角部分，此外，尖銳的凹角會引起應力集中，使模具容易破壞；與零件凹角對應的是模具凸角，如果半徑太小，則模具的尖銳部位將阻礙金屬的正常流動，同時模具的銳棱很快磨損，從而發(fā)生塌陷或剝離，此外，模具的銳棱會咬住被擠壓的金屬，金屬的纖維被割斷，在表面上形成波紋或微裂[2]。因此，綜合考慮，鍛件凸角半徑設計為R3，凹角半徑設計為R5。

5)由于熱鍛件厚度較薄而面積較大，需在自由鍛錘上制坯，因此鍛件終鍛溫度較低，冷縮量選取1%。

1.3 工藝過程

工藝過程如下。

1)下料。用全自動帶鋸機下料，材料為38CrSi，尺寸為φ150 mm×224 mm。

2)加熱。用天燃氣加熱，設定溫度為1 180～1 130 ℃。

3)制坯。用3 t自由鍛錘制坯，去除表面氧化皮，制坯示意圖如圖3所示。

圖3 制坯示意圖

4)鍛造。首批共試制了20件，坯料保溫溫度為1 180 ℃，制坯完成后，坯料溫度約為1 050 ℃。設備參數(shù)設定為一打80%，二打70%能量，采用2次行程成形。從實物圖(見圖4)中可以看出，產品成形效果差，中間凸緣處、邊緣處基本沒有成形，產品合格率為0。

圖4 實物圖

1.4 試制結果分析

試制結果表明，由于該鍛件表面積大，設備公稱力小于所需鍛造力，所以鍛造成形時間要比正常情況長，鍛件與模具接觸后溫度下降較快，金屬變形抗力急劇增加，流動性變差，不利于鍛件成形；在毛坯φ406處有較大斷面積差，變形程度高，在斷面變化的過渡部位，不均勻變形的程度加劇，在附加應力的作用下，這部分材料容易破裂，還可能引起模具局部過載、劇烈磨損和早期破壞，故很難成形。因此應考慮在外形、斜度、余塊、圓弧和余量等方面進行優(yōu)化，改善模具結構，促使金屬流動，降低所需鍛造力。

2 優(yōu)化后工藝方案

2.1 優(yōu)化后工藝和模具設計方案

優(yōu)化后工藝和模具設計方案如下：1)加大毛坯中間凸緣尺寸機加余量，減小凸緣深度，便于金屬流動；2)在毛坯φ406 mm處增加余塊，圓角半徑由原來的R3改為R10，更有利于金屬流動；3)上模拔模斜度加大到12°，模具環(huán)形凸臺由平面改進為4°斜面，促使鍛件環(huán)形槽處多余金屬向周邊流動；4)適當增加連皮厚度，降低金屬在型腔中的流動阻力。改進后的鍛件工藝簡圖如圖5所示。

圖5 改進后的工藝簡圖

2.2 優(yōu)化后工藝過程

優(yōu)化后工藝過程如下。

1)下料。用全自動帶鋸機下料，材料為38CrSi，尺寸為φ150 mm×263 mm。

2)加熱。同方案1。

3)制坯。用3 t自由鍛錘制坯。對制坯過程進行優(yōu)化：鐓粗→壓凹。改進后的制坯示意圖如圖6所示。

圖6 改進后的制坯示意圖

4)鍛造。第2批共試制了20件，坯料原始溫度為1 180 ℃，制坯完成后，坯料溫度約為1 050 ℃。設備參數(shù)設定為一打80%，二打70%能量，采用2次行程成形，改進后的實物圖如圖7所示。從圖7可以看出，中間凸緣成形效果好，邊緣成形質量好，表面質量好。鍛件冷卻后測量尺寸，公差控制在≤±0.5內，滿足工藝設計要求，產品合格率為100%。

圖7 改進后的實物圖

2.3 試制結果分析

通過在外形、斜度、余塊、圓弧和余量等方面進行優(yōu)化改善，保證了金屬流動，有效降低了鍛造力，實現(xiàn)了用現(xiàn)有2500 t電動螺旋壓力機成形表面積大、厚度薄的零件，產品不僅成形精度高，且力學性能良好，材料利用率高。

精準制坯時，制坯后毛坯中間凸緣和外緣凸緣部分的體積與鍛件相應部位相適應，避免了終鍛時金屬劇烈流動，解決了局部充不滿難題。

創(chuàng)新模具設計，改變思維模式，大膽嘗試新方法，有效降低了金屬在型腔中的流動阻力。

在鍛件的斷面有較大差別時，從一個斷面過渡到另一斷面應使變化較緩慢，防止過渡變化突然，即從一個直徑到另一直徑時，避免直角轉折和較小的圓弧連接，將斷面變化部位設計成錐形過渡，過渡部位的銜接處采用充分平滑的圓弧連接，有效降低了金屬在型腔中的流動阻力。

3 結語

通過上述研究得出如下結論。

1)通過分析原因和對工藝、鍛模結構改進方案進行驗證，解決了金屬流動困難難題，有效降低了理論打擊力，不僅使鍛件質量得到了保證，同時生產效率和成本也得到了降低，實現(xiàn)了批量生產和節(jié)約增效的目的。

2)使用小噸位模鍛設備，成形復雜產品時，采用閉式模鍛工藝是一種可行的思路。但在采用閉式模鍛工藝鍛造時，投影面積應盡量限制在工藝所允許的范圍內，這樣可避免對設備和鍛模造成傷害。

3)在鍛造過程中，應重視鍛坯加熱質量和鍛模潤滑，采用性能優(yōu)良的潤滑劑，并使坯料保持在鍛造溫度上限，可有效降低鍛造力，有利于鍛件成形。