文／張娜娜，白孝俊，夏占雪·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠

471傳動(dòng)軸鍛件閉式模鍛工藝研究

文／張娜娜，白孝俊，夏占雪·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠

近年來(lái)，隨著“綠色鍛造”理念的興起，加上鍛造行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，迫切需要我們進(jìn)行節(jié)能降耗以降低生產(chǎn)成本。提高材料利用率成為了首選措施，各鍛造企業(yè)根據(jù)自己的產(chǎn)品、設(shè)備及技術(shù)等實(shí)際情況紛紛開發(fā)閉式模鍛工藝。

471傳動(dòng)軸是我公司為英國(guó)某知名公司生產(chǎn)的鍛件，鍛件三維造型如圖1所示。該鍛件材料為17CrNiMo6，最大直徑φ132mm，最小直徑φ49.5mm，總長(zhǎng)195mm，重量8.1kg，熱處理方式為等溫退火，硬度要求159～207HBW。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上并不復(fù)雜，屬于大盤細(xì)桿類產(chǎn)品，可鍛性稍差，一般采用拔長(zhǎng)后終鍛的方式制造。本文依據(jù)我公司生產(chǎn)實(shí)際，以其為研究對(duì)象，研發(fā)一種新型的適合此類產(chǎn)品的閉式模鍛工藝，在16000kN離合器式螺旋壓力機(jī)上實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

圖1 傳動(dòng)軸鍛件

工藝分析

471傳動(dòng)軸最初是在我公司修鍛車間生產(chǎn)，其工藝是棒料經(jīng)煤氣爐加熱后，在空氣錘上通過(guò)自由鍛拔長(zhǎng)桿部，然后在胎模里最終鍛打成形，利用該工藝生產(chǎn)出來(lái)的鍛件表面質(zhì)量差，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較低，班產(chǎn)只有80件左右。

2007年我公司購(gòu)進(jìn)了一臺(tái)16000kN離合器式螺旋壓力機(jī)，用于生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)，由于負(fù)荷不滿，準(zhǔn)備在該設(shè)備上開發(fā)其他類型產(chǎn)品。由于該設(shè)備打擊速度相對(duì)較慢，上下?？梢猿袚?，具備開發(fā)閉式模鍛工藝條件，我公司決定在其上開發(fā)471傳動(dòng)軸閉式模鍛工藝。

通過(guò)分析，我們初步將傳動(dòng)軸工藝定為：加熱→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→打磨→等溫退火→噴丸→防銹→入庫(kù)。其中，加熱工序使用中頻感應(yīng)爐，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)保證產(chǎn)品外觀質(zhì)量，棒料鐓粗后去除氧化皮，在預(yù)鍛時(shí)將頭部和部分桿部擠出，在終鍛時(shí)擠出桿部并鐓粗成形大盤。

工藝及工裝設(shè)計(jì)

鐓粗模具設(shè)計(jì)

鐓粗模的作用不僅是要去除氧化皮，使坯料直徑變大、高度變低，還起到預(yù)先分配金屬的作用。由于在預(yù)鍛和終鍛時(shí)需要盡量減少金屬水平方向流動(dòng)（金屬流動(dòng)劇烈將會(huì)導(dǎo)致模具壽命較低），為了減少鍛件充不滿情況，需要讓坯料在水平方向分布均勻，所以鐓粗工步棒料的定位是非常重要的。一般將鐓粗模下模局部設(shè)計(jì)得比坯料直徑大0.5～1mm（考慮到坯料直徑的正偏差），用于放料定位。有了定位，操作工將很容易將坯料放正，鐓出來(lái)的中間坯形狀才規(guī)整，同時(shí)也應(yīng)考慮到鐓粗后的坯料放入預(yù)鍛后需要具備良好的定位，所以鐓粗模下模形狀也考慮到了和預(yù)鍛模的匹配。鐓粗后坯料的厚度及直徑和預(yù)鍛大盤直徑有較大的關(guān)系，最大直徑應(yīng)只比預(yù)鍛大盤直徑小1～2mm。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，鐓粗上模直接設(shè)計(jì)為平模。模具材料使用H13，設(shè)計(jì)好的鐓粗模如圖2所示。

圖2 鐓粗模

預(yù)鍛模具設(shè)計(jì)

預(yù)鍛模的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。從鍛件來(lái)看，上模部分較短，可以在預(yù)鍛全部成形；下模部分桿部細(xì)長(zhǎng)，預(yù)鍛時(shí)必須擠出部分桿部，不然終鍛時(shí)桿部容易充不滿。但預(yù)鍛桿部成形太多，也必然導(dǎo)致預(yù)鍛成形力過(guò)大，造成設(shè)備悶車或損壞模具。我們?cè)O(shè)計(jì)讓桿部成形約1/3，同時(shí)也注意到，預(yù)鍛后的毛坯無(wú)論如何是不能出現(xiàn)殘留毛刺的，最好是預(yù)鍛后大盤邊緣局部充不滿，如果出現(xiàn)殘留毛刺，應(yīng)調(diào)整預(yù)鍛工步打擊行程或重新設(shè)計(jì)預(yù)鍛型腔。

預(yù)鍛模上模（又叫凸模）設(shè)計(jì)：

⑴為了減少摩擦，在凸模進(jìn)入凹模部分上做出一圈凹槽，凹槽深度為2mm，寬度大于15mm，防止產(chǎn)生毛刺后摩擦力過(guò)大導(dǎo)致設(shè)備悶車或損壞模具；

⑵為了防止折紋，凸臺(tái)直徑應(yīng)比終鍛直徑小1mm左右，圓角應(yīng)比終鍛大；

⑶由于未設(shè)計(jì)頂出，凸臺(tái)斜度應(yīng)設(shè)計(jì)在2°左右或更大，防止鍛件粘上模。

預(yù)鍛模下模（又叫凹模）設(shè)計(jì)：

⑴為了提高桿部填充效果，在大盤和桿部的連接處設(shè)計(jì)了一個(gè)45°漏斗形狀的引導(dǎo)段，引導(dǎo)坯料流向桿部；

⑵凹模上設(shè)計(jì)有一段直段作為導(dǎo)向段引導(dǎo)凸模進(jìn)入凹模，其長(zhǎng)度與鐓粗后坯料的厚度有關(guān)，即鐓粗后的坯料放入預(yù)鍛型腔后，應(yīng)比凹模低約10mm，防止沖頭壓住坯料時(shí)坯料水平方向流動(dòng)流出凹模；

⑶頂出設(shè)計(jì)。直接將桿部下端開通作為頂桿孔，頂桿直徑設(shè)計(jì)為比鍛件桿部端頭直徑小1mm；

⑷氣孔設(shè)計(jì)。由于桿部較長(zhǎng)，為了改善桿部填充性，應(yīng)設(shè)計(jì)氣孔來(lái)減少型腔內(nèi)壓力，該傳動(dòng)軸在做頂出設(shè)計(jì)時(shí)利用頂桿和桿部的間隙來(lái)作為氣孔使用。

預(yù)鍛模設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵工藝參數(shù)是沖頭和凹模的間隙，該間隙和設(shè)備導(dǎo)向精度有關(guān)，其大小直接影響到鍛件的同軸度，同時(shí)影響終鍛工序，如果間隙過(guò)大，鍛件出現(xiàn)縱向毛刺，終鍛時(shí)將會(huì)使鍛件出現(xiàn)折疊，如果間隙過(guò)小，將會(huì)碰壞沖頭，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致設(shè)備悶車，該傳動(dòng)軸取單邊間隙0.25mm。模具材料使用H13，設(shè)計(jì)好的預(yù)鍛模如圖3所示。

圖3 預(yù)鍛模

終鍛模具設(shè)計(jì)

終鍛模的設(shè)計(jì)相對(duì)于預(yù)鍛模來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單很多，凸模和凹模的間隙與預(yù)鍛模設(shè)計(jì)原則一致。

終鍛上模（凸模）設(shè)計(jì)：

由于終鍛成形力變大，一般會(huì)在大盤邊緣擠出少許縱向毛刺，這時(shí)凸模進(jìn)入凹模部分也應(yīng)像預(yù)鍛模一樣設(shè)計(jì)一道凹槽，防止鍛件卡在凸模上。

終鍛下模（凹模）設(shè)計(jì)：

⑴導(dǎo)向段設(shè)計(jì)。其長(zhǎng)度和預(yù)鍛后坯料大盤厚度有關(guān)，即預(yù)鍛坯料放入終鍛模后，應(yīng)比凹模低10mm以上；

⑵凹模桿部長(zhǎng)度應(yīng)比熱鍛件桿部長(zhǎng)2～3mm，防止鍛件桿部出現(xiàn)充不滿；

⑶頂出設(shè)計(jì)，頂桿直徑和頂桿孔尺寸和預(yù)鍛模一樣，并利用其間隙作為氣孔，改善桿部填充情況。

模具材料使用H13，設(shè)計(jì)好的終鍛模如圖4所示。

圖4 終鍛模

工藝模擬的應(yīng)用

為了降低開發(fā)成本，采用工藝模擬軟件對(duì)工藝方案進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，確定了工藝方案理論上的可行性，分配好各工步變形量，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)際非常接近，如圖5所示。

圖5 鐓粗、預(yù)鍛、終鍛成形模擬

生產(chǎn)驗(yàn)證

471傳動(dòng)軸模具制作完成后，開始在我公司16000kN離合器式螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，坯料溫度（1150±30）℃，我們逐一調(diào)試了鐓粗、預(yù)鍛和終鍛工步（圖6），并解決了預(yù)鍛出現(xiàn)毛刺、設(shè)備悶車、鍛件充不滿、大盤厚度超差等問(wèn)題，順利進(jìn)行小批量試生產(chǎn)。

在隨后的小批量試生產(chǎn)驗(yàn)證時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)預(yù)鍛和終鍛凸模壽命偏低，只有1000件左右，為了解決這一問(wèn)題，我們改進(jìn)了預(yù)鍛和終鍛凸模，并將凸模設(shè)計(jì)為鑲塊式來(lái)降低模具成本；大批量生產(chǎn)時(shí)，471傳動(dòng)軸班產(chǎn)達(dá)到600件左右，材料利用率達(dá)到98%，模具壽命約2000件。

圖6 各工步坯料形態(tài)

生產(chǎn)過(guò)程注意事項(xiàng)

鍛件生產(chǎn)出來(lái)后，通過(guò)等溫退火，然后清理掉表面氧化皮，防銹處理后就完成了該傳動(dòng)軸的鍛件生產(chǎn)過(guò)程。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

⑴由于是閉式模鍛，坯料的大小直接影響到鍛件的厚度方向尺寸，要求原材料采購(gòu)時(shí)直徑偏差至少應(yīng)符合GB/T 702-2008所規(guī)定的第二組偏差，下料工序下料長(zhǎng)度應(yīng)控制在±0.5mm，管理較好的企業(yè)可以按照重量下料。

⑵為了便于鍛件出模和保證模具壽命，應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行一件一潤(rùn)滑冷卻，如果鍛件下模容易出現(xiàn)充不滿而模具又沒(méi)有氣孔的話，應(yīng)盡量避免選用會(huì)產(chǎn)生較多氣體的脫模劑，我公司使用的是石墨乳。

⑶料溫對(duì)鍛件充滿影響較大，應(yīng)保證料溫符合工藝要求，偏差應(yīng)至少控制在±30℃以內(nèi)。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)我公司生產(chǎn)驗(yàn)證，這種“閉式模鍛”生產(chǎn)傳動(dòng)軸類鍛件的工藝經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，生產(chǎn)效率高。鍛件流線符合要求，質(zhì)量穩(wěn)定，拔模斜度只有2°，外觀較好，無(wú)充不滿、折紋、折疊等缺陷。通過(guò)進(jìn)一步完善，目前已推廣應(yīng)用到了驅(qū)動(dòng)輪軸、齒輪、法蘭等多種類型的產(chǎn)品上，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，年產(chǎn)量大概在7萬(wàn)件。閉式模鍛工藝的成功研發(fā)，不僅進(jìn)一步提高了我公司鍛件材料利用率，省掉了一道切邊工序，降低了生產(chǎn)成本，且為我公司開發(fā)精鍛工藝奠定了良好的基礎(chǔ)。