文/桂安朋，王志偉·一汽巴勒特鍛造（長(zhǎng)春）有限公司

薄形鍛件閉式鍛造工藝

文/桂安朋，王志偉·一汽巴勒特鍛造（長(zhǎng)春）有限公司

隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的深化改革，經(jīng)濟(jì)全球一體化的深入，汽車工業(yè)也在不斷地適應(yīng)形勢(shì)的變化，導(dǎo)致轎車車型淘汰和投產(chǎn)更新速度快，從而推動(dòng)鍛件產(chǎn)品更新加速、產(chǎn)品類別越來(lái)越多。

圖1所示的AMP-70型熱鐓機(jī)是瑞士哈特貝爾公司生產(chǎn)的，采用閉式模鍛工藝對(duì)鍛件進(jìn)行鍛造。設(shè)備機(jī)身采用框架式整體結(jié)構(gòu)，受力均勻，減少了振動(dòng)和沖擊，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。主滑塊是由曲柄連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；凹模頂出結(jié)構(gòu)采用凸輪控制剛性頂出結(jié)構(gòu)；全部的自動(dòng)化機(jī)械手以及夾持部分同樣都由凸輪結(jié)構(gòu)控制，傳遞準(zhǔn)確可靠，不易損壞。設(shè)備還具有熱剪切下料機(jī)構(gòu)，剪切棒料規(guī)格為φ（36～75）mm，下料長(zhǎng)度在45～150mm之間，此結(jié)構(gòu)保證了熱鐓機(jī)設(shè)備閉式模鍛工藝的穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 熱鐓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)閉式工藝

在鍛造生產(chǎn)過(guò)程中，往往會(huì)遇到直徑較大而厚度非常薄的鍛件，即薄形鍛件。用形象的數(shù)據(jù)描述該鍛件即圓形鍛件的厚度與直徑之比h/d≤0.2，此類鍛件復(fù)雜系數(shù)為S4，屬于復(fù)雜類薄形鍛件，如圖2所示。此類鍛件成形困難，脫模難、沖孔變形大。

圖2 薄形鍛件

傳統(tǒng)開(kāi)式鍛造工藝設(shè)計(jì)有飛邊橋和倉(cāng)部（以容納多余鍛造金屬），所以模塊較大，如圖3所示。在鍛造后續(xù)過(guò)程中需要切邊和沖孔，開(kāi)式工藝是采用切邊、沖孔復(fù)合模，一個(gè)鍛件品種一套切邊、沖孔復(fù)合模，而且在生產(chǎn)過(guò)程中復(fù)合模調(diào)整較為煩瑣，故障發(fā)生點(diǎn)較多，經(jīng)常需要停工更換或修復(fù)模具，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

熱鐓機(jī)傳統(tǒng)閉式工藝沒(méi)有橋和倉(cāng)部，所以模塊采用小型化、標(biāo)準(zhǔn)化的鑲塊式結(jié)構(gòu)，如圖4所示，采用通用的凸凹模座、壓套或壓環(huán)，模具僅為小型的回轉(zhuǎn)體，加工和模具材料成本都大大降低，生產(chǎn)時(shí)裝配簡(jiǎn)單快捷，生產(chǎn)效率得到了明顯提高。

圖3 傳統(tǒng)開(kāi)式工藝模具結(jié)構(gòu)

圖4 熱鐓機(jī)傳統(tǒng)閉式工藝模具結(jié)構(gòu)

圖5 所示的開(kāi)式鍛件有飛邊，切掉的飛邊只能當(dāng)作廢料處理，材料利用率低；鍛件易產(chǎn)生錯(cuò)差和切邊毛刺，影響機(jī)加工。鍛件品種更換時(shí)必須整體更換復(fù)合模，調(diào)整復(fù)雜且時(shí)間長(zhǎng)，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜且制造周期長(zhǎng)，加工成本高。

圖5 開(kāi)式鍛件

圖6 所示的閉式鍛件沒(méi)有飛邊，材料利用率高；鍛件錯(cuò)差小、無(wú)切邊毛刺。鍛件品種更換時(shí)只需更換凸模、凹模，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且操作簡(jiǎn)單，通用性好，模具制造周期短，加工成本低。

圖6 閉式鍛件

鍛造工藝分析

熱鐓機(jī)閉式鍛造是利用側(cè)向擠壓變形、通過(guò)驅(qū)動(dòng)鍛模凸模，使坯料流向側(cè)面的模具空間進(jìn)行鍛造的。當(dāng)坯料在凸、凹模的作用下被壓縮產(chǎn)生塑性流動(dòng)，縱向塑性流動(dòng)受阻后，轉(zhuǎn)換方向形成徑向或橫向流動(dòng)，從而充滿整個(gè)型腔。

圖7所示的是一個(gè)典型薄形鍛件示意圖，零件尺寸外徑φ114mm，最大外圓厚度僅17mm，圓盤厚度與直徑比h/d=0.15。鍛件按整體單邊余量1mm，外圓出模角1°設(shè)計(jì)，允許未充滿圓角R≤2mm，鍛件重量0.93kg。

圖7 典型薄形鍛件示意圖

熱鐓機(jī)閉式鍛造工藝流程為：上料→中頻感應(yīng)電加熱→熱切料→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→熱沖孔→熱處理→清理。AMP-70型熱鐓機(jī)切料機(jī)構(gòu)由凸輪控制夾緊塊使模座內(nèi)的固定切刀壓緊，毛坯料在固定切刀夾緊下熱切斷，扭曲變形小。切下的毛坯料由氣動(dòng)加壓的夾持器壓緊在活動(dòng)切刀上，一起送到第一工位成形工位，當(dāng)?shù)谝还の粵_頭頂銷接住毛坯料并將它推到第一工位凹模模膛時(shí)，氣動(dòng)夾持器同時(shí)被打開(kāi)。剪切毛坯料段長(zhǎng)度及送料長(zhǎng)度在生產(chǎn)進(jìn)行中均可調(diào)節(jié)，并通過(guò)ESA自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控排除料頭、料尾，監(jiān)測(cè)到的料頭、料尾便自行在切料工位落下。

熱剪切下料應(yīng)注意棒料的加熱溫度，加熱溫度應(yīng)控制在1230～1280℃；注意棒料剪切毛刺，剪切刀痕印的大小，并隨時(shí)做好準(zhǔn)備更換剪刀模具；應(yīng)隨時(shí)抽檢并觀察棒料表面質(zhì)量、端面斜度的大小等。

AMP-70型熱鐓機(jī)4個(gè)成形工位狀態(tài)，鍛造時(shí)為了提高模具壽命，所有凸模、凹模與熾熱金屬接觸部位均采用強(qiáng)制噴淋水冷卻。

頂出套模具設(shè)計(jì)

圖8 鍛打鍛件的4個(gè)工步

目前設(shè)計(jì)的熱鐓機(jī)頂出套結(jié)構(gòu)解決了鍛件脫模力大引起的變形，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，從而取消此鍛件粗車環(huán)槽工藝。熱鐓機(jī)鍛打此鍛件僅需要4個(gè)工步：鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→熱沖孔，如圖8所示。

此工藝選用φ50mm×70mm的棒料，首先對(duì)其進(jìn)行鐓粗工步，目的是去除鋼材因加熱而產(chǎn)生的表面氧化皮，減輕鍛件表面的氧化坑深度，保證鍛件良好的表面質(zhì)量。預(yù)鍛時(shí)，鍛件法蘭厚度尺寸不能設(shè)計(jì)太薄，以大致充滿為佳，這樣能避免終鍛時(shí)鍛造折紋的產(chǎn)生。

由于熱鐓機(jī)閉式鍛造工藝采取封閉式體積成形，當(dāng)終鍛成形完成后，鍛件會(huì)鑲嵌在終鍛凹模側(cè)，而熱鐓機(jī)傳統(tǒng)頂桿結(jié)構(gòu)頂出面積較小，非常容易出現(xiàn)頂桿頂穿連皮或?qū)㈠懠斪冃蔚那闆r。同時(shí)在鍛打過(guò)程中頂桿兩端均受力，很容易造成頂桿彎曲，導(dǎo)致頂桿失效，最終造成不必要的頂桿模具材料的浪費(fèi)。

圖9為以鑲塊式設(shè)計(jì)思路為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)的先進(jìn)頂出套結(jié)構(gòu)，充分地節(jié)約模具成本，實(shí)施綠色鍛造。根據(jù)脫模力的大小計(jì)算頂出套的外徑，設(shè)計(jì)頂芯與頂出套單邊間隙0.15mm，這充分地起到了頂出套頂出時(shí)的導(dǎo)向作用，還有利于模具的冷卻，既不對(duì)鍛件質(zhì)量造成影響，也能提高生產(chǎn)效率。

圖9 頂出套結(jié)構(gòu)

頂出套結(jié)構(gòu)工藝的優(yōu)點(diǎn)是采用組合式鑲塊結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料，模具拆卸方便、冷卻效果好。此結(jié)構(gòu)中，頂出套是易損件，為了方便更換，節(jié)約成本，采用組合式鑲塊結(jié)構(gòu)。但是一定要注意頂出力P和脫模力F的大小，當(dāng)頂出力小于脫模力時(shí)，脫模時(shí)會(huì)使鍛件受到脫模力的制約，使鍛件扭曲變形。

熱鐓機(jī)生產(chǎn)線布局

傳統(tǒng)鍛壓機(jī)生產(chǎn)線由圓盤鋸、中頻感應(yīng)加熱爐、10000kN鍛壓機(jī)、1600kN沖床組成,如圖10所示。各工序之間需要通過(guò)4個(gè)工人與設(shè)備配合進(jìn)行工件傳送，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

熱鐓機(jī)生產(chǎn)線由上料架、中頻感應(yīng)加熱爐、AMP-70型熱鐓機(jī)傳送帶、鍛件存放箱組成，如圖11所示。各工序之間需要通過(guò)兩個(gè)工人與設(shè)備配合進(jìn)行工件傳送，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)；一個(gè)工人負(fù)責(zé)中頻感應(yīng)加熱爐溫度；另一工人負(fù)責(zé)操作主機(jī)。熱鐓機(jī)生產(chǎn)線布局緊湊，占地面積小，節(jié)省人員的體力，也減少了各工序間的搬運(yùn)時(shí)間，從而提高了工作效率。

圖10 傳統(tǒng)鍛壓機(jī)生產(chǎn)線布局

圖11 熱鐓機(jī)生產(chǎn)線布局

結(jié)束語(yǔ)

使用熱鐓機(jī)閉式鍛造生產(chǎn)，材料利用率提高到90%以上，經(jīng)過(guò)對(duì)鍛造力的模擬和實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，使用熱鐓機(jī)閉式鍛造，鍛造力也大大減弱，AMP-70型熱鐓機(jī)就可以滿足生產(chǎn)需求。

現(xiàn)在許多汽車變速器生產(chǎn)廠家在采購(gòu)鍛件時(shí)，對(duì)鍛件質(zhì)量的要求越來(lái)越高，價(jià)格要求越來(lái)越低，傳統(tǒng)鍛造工藝已經(jīng)很難達(dá)到這種要求。因此，熱鐓機(jī)擠壓成形也越來(lái)越受到汽車廠配套鍛件廠的青睞。

桂安朋，工程師，從事汽車鍛件生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)研究。