馬麗　趙紅圖

摘要：分析了薄形鍛件結(jié)合齒圈的閉式鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)。該工藝具有材料利用率高、鍛件質(zhì)量好、廢品率顯著降低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：薄形鍛件;閉式鍛造;模具設(shè)計(jì)

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。所謂薄形鍛件是指圓形鍛件的厚度與直徑之比h/d≤0.2時(shí)的鍛件，該類鍛件復(fù)雜系數(shù)為S4級(jí)，屬于復(fù)雜類鍛件。此類鍛件成形困難，且沖孔、切邊變形大。閉式鍛造一直是鍛造生產(chǎn)所努力追求的目標(biāo)。它所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是不言而喻的。從鍛件的成本構(gòu)成看，飛邊一般占鍛件質(zhì)量的10%～35%，同時(shí)還增加了切邊工序，模具壽命較低，一套模具約生產(chǎn)2000～3000件。

針對(duì)上述情況，現(xiàn)將結(jié)合齒圈鍛件設(shè)計(jì)為閉式鍛件，設(shè)計(jì)承載設(shè)備2500t鍛壓機(jī)，分預(yù)終鍛成形，不僅解決了成形困難問(wèn)題，同時(shí)還省去了切邊工序。

1閉式鍛造工藝概述

閉式鍛造即無(wú)飛邊鍛造，一般在鍛造過(guò)程中上模與下模的間隙不變，坯料在四周封閉的模膛中成型，不產(chǎn)生橫向飛邊，少量的多余材料將形成縱向飛刺，飛刺在后續(xù)工序中除去。

閉式鍛造工藝具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：鍛件幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量最大限度地接近產(chǎn)品，省去了飛邊，與開(kāi)式模鍛相比，閉式模鍛可以大大提高金屬材料的利用率。

采用閉式鍛造，需要具體的必要條件：坯料體積準(zhǔn)確;坯料形狀合理并且能夠在模膛內(nèi)準(zhǔn)確定位;設(shè)備打擊能量或打擊力可以控制;設(shè)備上有頂出裝置。

2.鍛造工藝分析

結(jié)合齒圈零件是一個(gè)典型的薄形零件，零件尺寸外徑準(zhǔn)145.8mm，最大外圓厚度僅9.3mm。圓盤(pán)直徑與厚度比h/d=0.064，屬于典型的薄形鍛件。

3.閉式鍛造工藝的制定

3.1毛坯圖的制定

閉式鍛件圖整體單邊余量2mm，外圓出模角2°，允許上尖點(diǎn)處未充滿圓角R≤4mm，未增加薄壁處厚度。鍛件質(zhì)量1.99kg。

3.2熱鍛件圖的制定

為了抵消沖孔變形引起的凹陷，設(shè)計(jì)中從外圓設(shè)計(jì)一個(gè)2°的工藝錐度。增加工藝錐度后，將毛坯的上端面平面度控制在0.8mm以內(nèi)，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且不必另增加一道校平工序。薄形鍛件閉式鍛造預(yù)鍛型腔設(shè)計(jì)至關(guān)重要。預(yù)鍛工步主要是預(yù)成型和分料作用，使料在終鍛型腔中分流均勻、定位準(zhǔn)確，不出現(xiàn)毛刺及充不滿現(xiàn)象。應(yīng)用成型軟件Deform模擬，最終確定預(yù)鍛型腔圖。

鐓粗工序?yàn)樽杂社叴帧ｎA(yù)鍛型腔中的準(zhǔn)86.1mm凹臺(tái)是鐓粗毛坯定位位置。起初設(shè)計(jì)成型鐓粗，由于剪切料的端面不平整，導(dǎo)致鐓粗后的毛坯分料嚴(yán)重偏斜，致使預(yù)鍛毛坯外圓出現(xiàn)一邊充不滿，一邊出毛刺現(xiàn)象。改進(jìn)后靠?jī)?nèi)凹臺(tái)定位，不僅簡(jiǎn)化了鐓粗臺(tái)的形狀，而且對(duì)剪切料的端面要求降低，料定位及分料問(wèn)題也得到了解決，從而使預(yù)鍛到終鍛定位、分料及充滿得到良好的效果。同樣也考慮沖孔變形，從外圓處引一2°的角度，彌補(bǔ)了沖孔變形帶來(lái)的料凹陷現(xiàn)象，同時(shí)也解決了終鍛尺寸準(zhǔn)57.3mm充滿問(wèn)題。模具壽命也從模鍛的兩三千件增加到現(xiàn)在的萬(wàn)件以上。

4.模具設(shè)計(jì)

4.1閉式鍛造的金屬變形過(guò)程

第一階段，基本成形階段。在這個(gè)階段中，金屬坯料從初始的形狀開(kāi)始變形直至基本充滿模具型槽，變形力的增加比較緩慢。凸模向下移動(dòng)△H1。

第二階段，充滿型槽階段。此階段是從第一階段結(jié)束到金屬完全充滿型槽。這一階段的顯著特點(diǎn)是，變形力急劇增加，大約為第一階段末變形力的2～3倍，但變形量卻很小。凸模向下移動(dòng)△H2。

第三階段，形成縱向毛刺階段。坯料經(jīng)過(guò)第二階段的變形后，已經(jīng)充滿模具型槽，基本上不再變形了，這時(shí)如果上模繼續(xù)下壓的話。坯料內(nèi)部的鑄造枝晶、空洞、疏松等得到破碎、鍛合和壓實(shí)。如果鍛壓力很大的話，金屬將會(huì)在上下模具的間階內(nèi)流動(dòng)形成縱向毛刺。凸模向下移動(dòng)△H3。

4.2模具設(shè)計(jì)分析

設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，除鍛壓機(jī)自帶的導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向外，設(shè)計(jì)中還使用了?？趯?dǎo)向，有效地保證了導(dǎo)向的精度。當(dāng)上模進(jìn)內(nèi)芯固定圈10mm時(shí)，單邊間隙設(shè)計(jì)為0.2mm，可根據(jù)啃咬情況調(diào)整錯(cuò)差。在此結(jié)構(gòu)中內(nèi)芯固定圈是易損件，需經(jīng)常更換;其下模壓圈采用螺栓結(jié)構(gòu)，以方便下模內(nèi)芯的裝卸。在鍛造過(guò)程中，操作人員根據(jù)毛坯充滿情況調(diào)節(jié)閉合高度。當(dāng)上、下模閉合后，上模退出，頂桿頂出鍛件，然后在壓床上沖孔。

5.工藝的優(yōu)越性及特點(diǎn)

（1）材料利用率高，節(jié)材降耗。由于是無(wú)飛邊鍛造，再加上加工余量的減小，鍛造材料消耗明顯降低。開(kāi)式工藝用料為準(zhǔn)60mm×120mm/2.65mm，單件定額為2.77kg;閉式工藝用料為準(zhǔn)60mm×98.6mm/2.188mm，單件定額為2.27kg。每件毛坯節(jié)約材料0.5kg，月需求量約為8萬(wàn)件，僅該產(chǎn)品可為公司每年節(jié)約材料480t以上，經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。

（2）模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，壽命長(zhǎng)。在此結(jié)構(gòu)中，下模內(nèi)芯是易損件，為了方便凹模的更換，其壓圈采用螺栓結(jié)構(gòu)，以便于凹模的裝卸。使用預(yù)、終鍛型腔，模芯冷卻效果好，能夠保證模具在正常溫度下工作，使模具壽命也從模鍛的兩三千件增加到現(xiàn)在的萬(wàn)件以上，從而大大降低了更換模具所耗費(fèi)的時(shí)間及人力，也減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）生產(chǎn)效率高，鍛件質(zhì)量好。使用閉式鍛造，班產(chǎn)量均在2000件以上，主要原因是操作簡(jiǎn)單，省去了切邊工序。模鍛時(shí)，鍛件廢品主要是沖孔凹陷及錯(cuò)差兩個(gè)原因，尤其是錯(cuò)差一直是困擾薄形鍛件難以解決的問(wèn)題。閉式鍛件由于是單型腔成型，凸模與凹模之間極限錯(cuò)差為0.4mm，遠(yuǎn)低于圖紙要求的≤0.8mm，優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。由于是鍛壓機(jī)鍛造，鍛件定位準(zhǔn)確;又有鐓粗去氧化皮工序，鍛件外表面質(zhì)量好，廢品率低。

6.結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合齒圈是薄形鍛件的代表之一，在鍛造過(guò)程中調(diào)整工藝方案可靠后，閉式鍛造工藝優(yōu)勢(shì)明顯，模具結(jié)構(gòu)合理，鍛件質(zhì)量高。該工藝具有節(jié)材節(jié)能、生產(chǎn)效率高、鍛模壽命長(zhǎng)、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。該類薄形件在閉式工藝下的成功試制，對(duì)以后一些復(fù)雜薄形鍛件的閉式設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

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