文／徐皓，黃樂明，黃昌文?安徽安簧機(jī)械股份有限公司

精密鍛件的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)應(yīng)用

文／徐皓，黃樂明，黃昌文?安徽安簧機(jī)械股份有限公司

依據(jù)被精壓件的具體技術(shù)要求和所需設(shè)備工況，設(shè)計(jì)出合理的精壓模，并在實(shí)際的批量生產(chǎn)中得到了成功的應(yīng)用，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

徐皓，鍛造車間副主任，主要從事各類鍛件的開發(fā)及相關(guān)模具的設(shè)計(jì)工作，擁有1項(xiàng)專利。

精密鍛造即精鍛成形技術(shù)，是指零件成形后僅需要少量加工或不加工就可以用作機(jī)械構(gòu)件的成形技術(shù)，即制造接近零件形狀的工件毛坯。精密鍛造與傳統(tǒng)成形技術(shù)相比，減少了后續(xù)的切削量，降低了材料與能源的消耗，縮減了加工工序等。在鍛造生產(chǎn)中，為進(jìn)一步提高模鍛件的精度和降低表面粗糙度，通常采用精壓的方法。精壓就是通過對(duì)鍛件金屬的少量擠壓，以獲得良好的尺寸精度和表面質(zhì)量。精壓可以部分或全部代替切削加工。一般來說，精壓鍛件尺寸精度的公差可達(dá)±0.25mm，經(jīng)過多次精壓可達(dá)到±0.10mm，表面粗糙度一般可降低到0.8～1.6μm。鍛件在經(jīng)過精壓后表面層硬化，從而零件的耐磨性得到了提高。由此可見，精壓工藝可顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 鍛件模型

精密鍛件的設(shè)計(jì)及可行性工藝分析

如圖1所示是我公司為國外某公司新開發(fā)的鍛件毛坯件，材料為41Cr4(相當(dāng)于我國的40Cr)，硬度要求為255～310HB，單班產(chǎn)量為1500件左右。

該鍛件的毛坯圖如圖2所示，此鍛件要求兩端局部表面粗糙度Ra≤12.5μm，四個(gè)面相對(duì)的平行度小于0.3mm，鍛件在厚度方向上的公差要求控制在±0.3mm以內(nèi)。分析此鍛件的特殊技術(shù)要求，初步有兩種可行性工藝方案：⑴兩端四平面進(jìn)行機(jī)加工，但鍛件在設(shè)計(jì)時(shí)需增加兩端四平面的機(jī)加工余量。⑵兩端四平面采用冷精壓工藝。從降低鍛件批量生產(chǎn)和工裝模具制作成本的角度考慮，首選冷精壓工藝，因?yàn)檫@樣不僅可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，而且還可為公司帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 鍛件毛坯圖

設(shè)備選型及精壓模的設(shè)計(jì)

精壓可以在精壓機(jī)、曲柄壓力機(jī)、摩擦壓力機(jī)或模鍛錘等鍛壓設(shè)備上進(jìn)行(精壓應(yīng)在精壓機(jī)或強(qiáng)有力的機(jī)械壓力機(jī)上進(jìn)行)。首先，要計(jì)算鍛件精壓時(shí)所需的壓力。精壓時(shí)，一般變形速度較低，變形量也較小，其所需的壓力主要與變形材料的力學(xué)性能、變形溫度、變形物體與工具接觸面之間的摩擦及受力狀態(tài)等有關(guān)。其所需壓力可按下列公式作近似估算：

式中 P——所需的精壓力(N)；

F——鍛件的精壓投影面積(mm2)；

ρ——平均單位壓力(MPa)。

對(duì)于矩形零件，其平均單位壓力ρ的計(jì)算公式如下：

式中 σs——精壓材料的屈服點(diǎn)(MPa)，可查閱有關(guān)手冊(cè)；

μ—— 摩擦系數(shù)，對(duì)于無潤滑劑與拋光的精壓壓板可取0.1～0.15，其余情況可查閱有關(guān)手冊(cè)；

a、b——矩形零件底面的短邊和長邊的長度(mm)；

h——矩形零件的高度(mm)。

平均單位壓力ρ也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從表1提供的相關(guān)數(shù)據(jù)中選取。熱精壓時(shí)，考慮到精壓的溫度和變形抗力，故其所需要的平均單位壓力ρ可取為冷精壓時(shí)的30%～50%。通過對(duì)此鍛件所需精壓力的計(jì)算(P＝ρ×F＝3000×210＝630kN)，并結(jié)合公司現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備，最后冷精壓設(shè)備選定為300t摩擦壓力機(jī)。

在設(shè)計(jì)精壓模時(shí)必須考慮到以下幾個(gè)影響精壓精度的因素：⑴冷精壓時(shí)由于精壓面中心部分的金屬流動(dòng)困難，故壓應(yīng)力的分布極不均勻，中心高、邊緣低，這就使得精壓模模板與精壓件都產(chǎn)生不均勻的彈性變形，其拱起值f可達(dá)到0.3～0.5mm。⑵精壓件材料的強(qiáng)度越高，拱起值f越大。⑶精壓件受壓面的面積D與高度H之比越大，拱起值f越大。⑷精壓變形量越大，拱起現(xiàn)象越嚴(yán)重。⑸精壓模材料硬度越高，則其彈性變形量越小，拱起現(xiàn)象也就越不嚴(yán)重。綜上所述，宜采用淬硬性高的材料做精壓模，淬火后模板硬度在58～62HRC或更高一些較為適宜，故采用Cr12MoV制作精壓模。

■ 表1 各種材料在冷精壓時(shí)的平均單位壓力(單位：MPa)

在鍛件的設(shè)計(jì)中還必須充分考慮到精壓件的精壓余量，精壓余量應(yīng)綜合零件的表面粗糙度、尺寸精度、幾何形狀、尺寸大小和材料等多種因素來確定。精壓余量的選取參見表2，精壓件公差值的選取參見表3。

■ 表2 精壓余量 (單位：mm)

■ 表3 精壓件公差值

精壓模的尺寸精度與加工表面粗糙度是根據(jù)鍛件的精度要求來確定的，一般來說，精壓模的尺寸公差取鍛件尺寸公差的一半，局部地方取3/4，表面粗糙度在0.2?m以下。

綜合以上相關(guān)因素最終設(shè)計(jì)出的精壓模具如圖3～6所示。

圖3 精壓模上模

圖4 精壓模下模

圖5 精壓模裝配簡(jiǎn)圖

圖6 精壓模下模裝配模型

■ 表4 精壓后鍛件的檢測(cè)結(jié)果

實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果

圖7 精壓后的鍛件

精壓工藝安排在表面清理(拋丸處理)工序之后，但精壓前需進(jìn)行磷化處理或潤滑處理(因考慮到生產(chǎn)成本，實(shí)際生產(chǎn)中沒有對(duì)被精壓件進(jìn)行磷化處理或潤滑處理，而是將精壓模具型腔的表面粗糙度提高，保證模具型腔的表面粗糙度Ra≤6.3μm)。精壓后鍛件的檢測(cè)結(jié)果見表4，精壓后的鍛件如圖7所示。

結(jié)束語

經(jīng)過五六十年的發(fā)展，大量優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、省力的精鍛技術(shù)相繼出現(xiàn)，該冷精壓工藝也是在以前的工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，在國外該工藝也越來越多地被應(yīng)用于汽車變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪和連桿等精密鍛件的生產(chǎn)中。本文中根據(jù)冷精壓工藝設(shè)計(jì)的精壓模結(jié)構(gòu)合理，使用壽命可達(dá)到30000件左右，現(xiàn)已批量生產(chǎn)，每班次可生產(chǎn)1500件左右的冷精壓件，且冷精壓件的尺寸精度、平行度及表面粗糙度等均符合技術(shù)要求。該工藝模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更換方便，不但降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。