李志廣，劉碧芬，宋偉民

（1.北方通用動(dòng)力集團(tuán)有限公司，山西大同037036;2.江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，湖南湘潭 411100）

在模鍛成形時(shí)，如果鍛模設(shè)計(jì)不合理，則極易導(dǎo)致模鍛工藝性差、鍛造效率低、變形力大、鍛模使用壽命低、原材料消耗大、合格品率低以及鍛模與鍛件成本較高等現(xiàn)象。以150柴油機(jī)噴油器體模鍛成形為研究對(duì)象，對(duì)鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效克服原鍛模設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。

1 模鍛工藝性分析

噴油器體模鍛件為軸類件（見圖1），在模鍛成形時(shí)采用調(diào)頭模鍛成形的方法。調(diào)頭模鍛是指在同一套鍛模上將1件坯料先模鍛成形坯料一部分以后再將鍛件前后旋轉(zhuǎn)180°調(diào)頭模鍛再成形坯料的另一部分，可在這1件坯料上獲得1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)或2n個(gè)鍛件，噴油器體調(diào)頭模鍛可實(shí)現(xiàn)1料2鍛［1—2］。噴油器體調(diào)頭模鍛成形的主要工藝過程為:加熱→模鍛（滾擠和終鍛+調(diào)頭滾擠和終鍛）→切邊，其中該工藝過程的關(guān)鍵是模鍛工序，模鍛工序的關(guān)鍵是鍛模優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 噴油器體模鍛件圖Fig.1 Die forging billet of fuel injector body

因原鍛模設(shè)計(jì)（尤其是鍛模的鎖扣、終鍛模膛、飛邊槽、鉗口、滾擠模膛等結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)以及與滾擠模膛高度尺寸有關(guān)的原材料下料規(guī)格選擇等）沒有達(dá)到最優(yōu)化程度，從而導(dǎo)致模鍛成形的工藝過程和工藝過程結(jié)果（如模鍛工藝性、原材料消耗、合格品率、鍛造效率、鍛模使用壽命以及鍛模與鍛件成本等）也沒有達(dá)到最優(yōu)化程度，因此，鍛模設(shè)計(jì)還有優(yōu)化的潛力和空間。

2 鍛模優(yōu)化設(shè)計(jì)

噴油器體鍛模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是優(yōu)化設(shè)計(jì)鍛模的鎖扣、終鍛模膛、飛邊槽、鉗口、滾擠模膛等結(jié)構(gòu)與尺寸以及根據(jù)滾擠模膛高度尺寸優(yōu)選原材料下料規(guī)格等。噴油器體鍛模優(yōu)化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)如下:

1）優(yōu)化鍛?？傮w結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)。原鍛模總體結(jié)構(gòu)為1左半對(duì)角和右對(duì)角式鎖扣、1個(gè)單終鍛模膛、1個(gè)飛邊槽、1個(gè)滾擠模膛和1個(gè)鉗口，上模和下模的外形長(zhǎng)寬高尺寸皆為300 mm×350 mm×350 mm（高度尺寸為300 mm即可滿足設(shè)計(jì)要求，為提高鍛模高度方向再利用的翻修次數(shù)，將高度尺寸設(shè)計(jì)為350 mm）;優(yōu)化設(shè)計(jì)的鍛?？傮w結(jié)構(gòu)為1個(gè)左縱和右對(duì)角式鎖扣、2個(gè)終鍛模膛、2個(gè)飛邊槽、2個(gè)鉗口和1個(gè)滾擠模膛（見圖2），上模和下模的外形長(zhǎng)寬高尺寸仍皆為300 mm×350 mm×350 mm（高度尺寸為300 mm即可滿足設(shè)計(jì)要求，為提高鍛模高度方向再利用的翻修次數(shù)，也將高度尺寸設(shè)計(jì)為350 mm），優(yōu)化設(shè)計(jì)鍛模的終鍛模膛與終鍛模膛、終鍛模膛與鉗口、鉗口與鉗口、終鍛模膛與模塊外壁、終鍛模膛與鎖扣以及鎖扣與鎖扣之間布置結(jié)構(gòu)和尺寸高緊湊又強(qiáng)度足夠，使用性能優(yōu)越，操作簡(jiǎn)單可靠［3—5］。

圖2 噴油器體鍛模圖Pig.2 Forging die of fuel injector body

噴油器體在鍛模中的工作過程為:滾擠→終鍛→調(diào)頭滾擠→終鍛，即先將加熱坯料的一半部分在滾擠模膛中滾擠制坯，然后在任意一個(gè)終鍛模膛中將該部分終鍛成形為1件鍛件（包含飛邊）;再將前后旋轉(zhuǎn)180°的坯料另一半調(diào)頭滾擠制坯，最后再在任意一個(gè)終鍛模膛中將該部分終鍛成形為另1件鍛件（包含飛邊），實(shí)現(xiàn)1料2鍛和小無坯料鉗夾頭。

2）優(yōu)化鍛模鎖扣結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)。鎖扣由原設(shè)計(jì)的左半對(duì)角和右對(duì)角鎖扣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為左縱和右對(duì)角鎖扣結(jié)構(gòu)，同時(shí)將滾擠模膛設(shè)置在左縱鎖扣上，鎖扣結(jié)構(gòu)緊湊又強(qiáng)度足夠，既有利于發(fā)揮鎖扣的導(dǎo)向作用和滾擠模膛的滾擠制坯作用，又有利于減小鍛模寬度尺寸。

3）優(yōu)化鍛模終鍛模膛結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)。將原鍛模的1個(gè)終鍛模膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為2個(gè)縱向錯(cuò)落排列的終鍛模膛結(jié)構(gòu)，2個(gè)終鍛模膛前后偏移距離為40 mm（可減小鍛件縱向排列的寬度尺寸），左右偏移距離為80 mm（2個(gè)終鍛模膛水平放置的橫向外輪廓全部位于鍛模模座燕尾水平寬度范圍之內(nèi)，符合在10 kN或20 kN模鍛錘上的鍛模終鍛模膛與鍛模燕尾中心線偏心距離的要求范圍），終鍛模膛與終鍛模膛、終鍛模膛與鉗口、終鍛模膛與模塊外壁、終鍛模膛與鎖扣以及鎖扣與鎖扣之間既相互聯(lián)系又相互制約，布置結(jié)構(gòu)和尺寸高緊湊和強(qiáng)度足夠，鍛模偏心力矩小。在鍛模工作中，經(jīng)過滾擠制坯后的坯料可在任意一個(gè)終鍛模膛內(nèi)進(jìn)行終鍛（最佳操作順序是在2個(gè)互不干涉的終鍛模膛中交替進(jìn)行終鍛），使鍛模的冷卻條件得到改善，可最大限度地減少溫度為1200～850℃的高溫坯料在終鍛模膛中的停留時(shí)間、降低終鍛模膛溫升速度以及降低終鍛模膛變形、磨損、疲勞裂紋和斷裂失效速度，相應(yīng)提高了鍛模使用壽命;同時(shí)，采用反變形模鍛法［6］，特將如圖1所示的模鍛件過渡處的未注凸圓角半徑R3 mm在終鍛模膛中（終鍛模膛的形狀與尺寸是通過終鍛熱模鍛件圖來體現(xiàn)的）設(shè)計(jì)為凹圓角半徑R2 mm，因此，在終鍛時(shí)會(huì)很輕易地將該凹圓角半徑R2 mm充填成形為R2 mm～R3 mm，以最大限度地反變形彌補(bǔ)終鍛未充滿的傾向性以及減少?gòu)U品損失和提高模鍛效率（終鍛打擊次數(shù)少為2或3錘次/件）。

4）優(yōu)化鍛模飛邊槽結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)。原鍛模飛邊槽既設(shè)置飛邊槽橋部結(jié)構(gòu)又設(shè)置飛邊槽倉(cāng)部結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì)的2個(gè)飛邊槽與2個(gè)終鍛模膛的結(jié)構(gòu)

其中:F計(jì)為計(jì)算毛坯橫截面積;F鍛為鍛件橫截面積;η為充填系數(shù)，形狀簡(jiǎn)單和復(fù)雜的分別取0.3～0.5和0.5～0.8（無量綱）;F飛為鍛件飛邊槽橫截面積;d計(jì)為計(jì)算毛坯直徑;h桿為滾擠模膛桿部高度;h頭為滾擠模膛頭部高度。

以確定如圖1所示的噴油器鍛件桿部φ31 mm處的鍛模滾擠模膛高度尺寸h桿為例（其它不同部位的滾擠模膛高度尺寸確定方法與此同理），將滾與尺寸相輔相成:因在模鍛成形時(shí)的終鍛模膛最大寬度處只產(chǎn)生寬度為3～5 mm的微小飛邊（飛邊橋部寬度為8 mm），其余部位的飛邊寬度為15～30 mm，因此，在2個(gè)終鍛模膛的橫向外側(cè)最大寬度處只設(shè)置飛邊槽橋部結(jié)構(gòu)而無飛邊槽倉(cāng)部結(jié)構(gòu)，而在其余部位既設(shè)置飛邊槽橋部結(jié)構(gòu)又設(shè)置飛邊槽倉(cāng)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)將靠近鉗口部位的飛邊槽倉(cāng)部結(jié)構(gòu)與鉗口過渡連接處貫通，以形成與飛邊槽倉(cāng)部高度相同的間隙空間（見圖2主視圖），以有利于在鍛模閉合后在2個(gè)鍛件之間形成的過渡飛邊具有足夠的抗彎曲能力，該飛邊槽結(jié)構(gòu)緊湊又能滿足使用要求，有效減小飛邊槽橫向外輪廓到導(dǎo)向鎖扣的距離，相應(yīng)地減小了鍛模寬度尺寸。

5）優(yōu)化鍛模鉗口結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的2個(gè)鉗口不是原設(shè)計(jì)1個(gè)鉗口變?yōu)楝F(xiàn)在2個(gè)鉗口的簡(jiǎn)單組合，而是與2個(gè)終鍛模膛和2個(gè)飛邊槽的結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)相輔相成:2個(gè)鉗口左右相鄰且縱向錯(cuò)落排列，前后偏移距離為40 mm，左右偏移距離為80 mm（水平放置的橫向外輪廓總寬度尺寸與飛邊槽橫向外側(cè)最大寬度尺寸相近），2個(gè)鉗口結(jié)構(gòu)緊湊又強(qiáng)度足夠，在終鍛操作時(shí)可順利地夾持鍛造坯料和取出鍛件。

6）優(yōu)化鍛模滾擠模膛結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)。滾擠模膛的桿部和頭部高度尺寸對(duì)終鍛變形力、鍛件質(zhì)量、模鍛效率、鍛模使用壽命和原材料消耗等有直接影響，滾擠模膛桿部的高度h桿和頭部高度h頭的大小，應(yīng)在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，再根據(jù)有關(guān)約束條件最終確定。滾擠模膛的桿部高度h桿和頭部高度h頭的計(jì)算公式［7］:擠模膛桿部的F鍛=755 mm2、η=0.3和F飛=122 mm2代入式（1），可得F計(jì)=791 mm2;將F計(jì)=791 mm2代入式（2），可得d計(jì)=31.8 mm;將d計(jì)=31.8 mm代入式（3），可得滾擠模膛桿部高度h桿=（22.2～25.5）mm;充分考慮鍛件桿部形狀簡(jiǎn)單而成形容易、鍛件坯料在調(diào)頭后始鍛溫度略為降低、滾擠模膛體積不斷變形增大、飛邊體積不斷增大、模鍛不足和未充滿傾向性大、鍛造效率低和鍛模使用壽命低等影響因素，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，特將鍛件桿部φ31 mm處的滾擠模膛高度h桿由原設(shè)計(jì)的25.0 mm優(yōu)化設(shè)計(jì)為22.5 mm（同理，將鍛件頭部最大寬度71 mm和最大高度39.5 mm處的滾擠模膛高度h頭由原設(shè)計(jì)的53.0 mm優(yōu)化設(shè)計(jì)為51.0 mm）的效果最佳，可有效克服原鍛模設(shè)計(jì)存在的缺點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)模鍛終鍛成形的工藝性好、小飛邊模鍛、尺寸一致性好、合格品率高、省力省時(shí)、鍛模使用壽命高等提供了良好的中間過渡形狀與尺寸準(zhǔn)備。

7）根據(jù)鍛模滾擠模膛高度尺寸優(yōu)選原材料下料規(guī)格。原材料下料規(guī)格與滾擠模膛的桿部高度h桿和頭部高度h頭具有相關(guān)性，因此，在優(yōu)選原材料下料規(guī)格時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮桿部和頭部滾擠模膛高度h桿和h頭尺寸對(duì)原材料下料規(guī)格的影響，其次還要考慮鍛件坯料在調(diào)頭后的始鍛溫度略為降低、滾擠模膛不斷變形增大、飛邊體積不斷增大、模鍛不足和未充滿傾向性大、鍛造效率降低和鍛模使用壽命降低等不利因素對(duì)原材料下料規(guī)格的影響［8］;生產(chǎn)實(shí)踐表明，將噴油器體模鍛件的原下料規(guī)格由 φ45 mm×210 mm（2.62 kg/2件）優(yōu)選為φ42 mm×213 mm（2.32 kg/2件）時(shí)，鍛件滾擠和終鍛的難變形區(qū)小、尺寸一致性好、合格品率高、變形力小、原材料消耗小（減少原材料消耗0.15 kg/件）、模鍛效率高（減少打擊次數(shù)3～5錘次/件）和鍛模使用壽命高。

3 結(jié)語(yǔ)

1）噴油器體模鍛成形的關(guān)鍵是鍛模設(shè)計(jì)，鍛模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是優(yōu)化設(shè)計(jì)鎖扣、終鍛模膛、飛邊槽、鉗口、滾擠模膛等結(jié)構(gòu)與尺寸以及根據(jù)滾擠模膛高度尺寸優(yōu)選原材料下料規(guī)格等;所優(yōu)化設(shè)計(jì)的噴油器體鍛模，結(jié)構(gòu)高緊湊又強(qiáng)度足夠，使用性能優(yōu)越，可為類似鍛模設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)提供有力的參考依據(jù)。

2）噴油器體鍛模優(yōu)化設(shè)計(jì)有效改善了噴油器體模鍛成形的工藝性、實(shí)現(xiàn)了小飛邊模鍛（減少原材料消耗0.15 kg/件）、鍛件尺寸一致性好、鍛件合格品率由原97%提高到99.5%、省力省時(shí)效果好（減少打擊次數(shù)3～5錘次/件）、提高鍛模使用壽命至少1倍和降低鍛模成本40%以上。

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