離合器外殼閉式模鍛工藝設(shè)計

彭長貴，莫競芳，黃林春，牛香草

(江麓機電集團有限公司，湖南 湘潭 411100)

閉式模鍛工藝的基本原理是在封閉的型腔中，采用上下2個模具(或組合模具)對毛坯進行鐓粗+擠壓成形。其主要優(yōu)點如下：1)可以使毛坯在一次加熱和鍛壓設(shè)備一次行程中獲得形狀復(fù)雜的無飛邊鍛件，尺寸精度及材料利用率顯著提高，同時省去鍛后的切邊工序，大大降低能源消耗，生產(chǎn)效率也隨之提高；2)成形時金屬處于三向不均勻壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高金屬塑性，允許被加工的金屬有很大程度的變形，可提高鍛造復(fù)雜形狀的能力，減小設(shè)備噸位；3)由于不形成飛邊，鍛件的顯微組織和力學性能也比采用開式模鍛的要好；4)采用頂出機構(gòu)，可減小毛坯各部分的余量、余塊及拔模斜度，節(jié)約機加粗加工工時，降低生產(chǎn)成本，從而提高產(chǎn)品的市場競爭能力[1]。

鍛件離合器外殼是裝甲車輛傳動裝置的一個重要零件。由于其生產(chǎn)批量、設(shè)備等因素制約，采用外協(xié)生產(chǎn)，成本居高不下；為此，本文以2500 t電動螺旋壓力機應(yīng)用為背景，以離合器外殼為對象，開展閉式模鍛精確成形技術(shù)研究。

1 優(yōu)化前工藝方案

1.1 工藝設(shè)計方案

在產(chǎn)品尺寸的基礎(chǔ)上加放機加余量后的鍛件工藝簡圖如圖1所示。

圖1 工藝簡圖

噸位P計算如下：

P=(17.5～28)KF

式中，17.5～28為變形困難及生產(chǎn)效率系數(shù)；K為鋼種系數(shù)；F為鍛件變形包括飛邊和連皮在內(nèi)總面積，單位為cm2。代入數(shù)值，計算得：

根據(jù)理論計算結(jié)果，該產(chǎn)品在2500 t電動螺旋壓力機上成形，已超過極限，可能會出現(xiàn)鍛件打不靠、充不滿的問題。

1.2 模具設(shè)計方案

鍛模結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。模具主要由上模芯、模套和下模、頂料桿組成。

圖2 鍛模結(jié)構(gòu)示意圖

模具具體設(shè)計方案如下。

1)模具上、下模定位導(dǎo)向分別由上下模套定位和導(dǎo)柱導(dǎo)向，該結(jié)構(gòu)制造簡單，定位和導(dǎo)向準確，調(diào)整模具方便，不易出現(xiàn)錯模。在與上、下模的配合部分可能會出現(xiàn)縱向飛邊，只要合理設(shè)計間隙和制坯尺寸，控制好打擊力及次數(shù)，就可避免出現(xiàn)較大的飛邊。

2)鍛件頂出由液壓頂出機構(gòu)通過頂料桿將鍛件頂出，鍛件取出方便。

3)拔模斜度。鍛件高度較小，成形后，由于鍛件的彈性變形和冷卻收縮，鍛件與模具形成較小的間隙，很容易被頂料桿頂出，因此鍛件外拔模斜度設(shè)計為3°；生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)由于熱收縮而產(chǎn)生鍛件粘模具現(xiàn)象，造成出模困難、生產(chǎn)中斷和模具提前失效等后果，因而內(nèi)拔模斜度設(shè)計為5°。

4)過渡圓角半徑。如果鍛件的凸角半徑太小，即模具的凹角半徑過小，則材料充滿模具凹角時就需很大的壓力，空氣及潤滑劑容易閉塞在凹角部分，此外，尖銳的凹角會引起應(yīng)力集中，使模具容易破壞；與零件凹角對應(yīng)的是模具凸角，如果半徑太小，則模具的尖銳部位將阻礙金屬的正常流動，同時模具的銳棱很快磨損，從而發(fā)生塌陷或剝離，此外，模具的銳棱會咬住被擠壓的金屬，金屬的纖維被割斷，在表面上形成波紋或微裂[2]。因此，綜合考慮，鍛件凸角半徑設(shè)計為R3，凹角半徑設(shè)計為R5。

5)由于熱鍛件厚度較薄而面積較大，需在自由鍛錘上制坯，因此鍛件終鍛溫度較低，冷縮量選取1%。

1.3 工藝過程

工藝過程如下。

1)下料。用全自動帶鋸機下料，材料為38CrSi，尺寸為φ150 mm×224 mm。

2)加熱。用天燃氣加熱，設(shè)定溫度為1 180～1 130 ℃。

3)制坯。用3 t自由鍛錘制坯，去除表面氧化皮，制坯示意圖如圖3所示。

圖3 制坯示意圖

4)鍛造。首批共試制了20件，坯料保溫溫度為1 180 ℃，制坯完成后，坯料溫度約為1 050 ℃。設(shè)備參數(shù)設(shè)定為一打80%，二打70%能量，采用2次行程成形。從實物圖(見圖4)中可以看出，產(chǎn)品成形效果差，中間凸緣處、邊緣處基本沒有成形，產(chǎn)品合格率為0。

圖4 實物圖

1.4 試制結(jié)果分析

試制結(jié)果表明，由于該鍛件表面積大，設(shè)備公稱力小于所需鍛造力，所以鍛造成形時間要比正常情況長，鍛件與模具接觸后溫度下降較快，金屬變形抗力急劇增加，流動性變差，不利于鍛件成形；在毛坯φ406處有較大斷面積差，變形程度高，在斷面變化的過渡部位，不均勻變形的程度加劇，在附加應(yīng)力的作用下，這部分材料容易破裂，還可能引起模具局部過載、劇烈磨損和早期破壞，故很難成形。因此應(yīng)考慮在外形、斜度、余塊、圓弧和余量等方面進行優(yōu)化，改善模具結(jié)構(gòu)，促使金屬流動，降低所需鍛造力。

2 優(yōu)化后工藝方案

2.1 優(yōu)化后工藝和模具設(shè)計方案

優(yōu)化后工藝和模具設(shè)計方案如下：1)加大毛坯中間凸緣尺寸機加余量，減小凸緣深度，便于金屬流動；2)在毛坯φ406 mm處增加余塊，圓角半徑由原來的R3改為R10，更有利于金屬流動；3)上模拔模斜度加大到12°，模具環(huán)形凸臺由平面改進為4°斜面，促使鍛件環(huán)形槽處多余金屬向周邊流動；4)適當增加連皮厚度，降低金屬在型腔中的流動阻力。改進后的鍛件工藝簡圖如圖5所示。

圖5 改進后的工藝簡圖

2.2 優(yōu)化后工藝過程

優(yōu)化后工藝過程如下。

1)下料。用全自動帶鋸機下料，材料為38CrSi，尺寸為φ150 mm×263 mm。

2)加熱。同方案1。

3)制坯。用3 t自由鍛錘制坯。對制坯過程進行優(yōu)化：鐓粗→壓凹。改進后的制坯示意圖如圖6所示。

圖6 改進后的制坯示意圖

4)鍛造。第2批共試制了20件，坯料原始溫度為1 180 ℃，制坯完成后，坯料溫度約為1 050 ℃。設(shè)備參數(shù)設(shè)定為一打80%，二打70%能量，采用2次行程成形，改進后的實物圖如圖7所示。從圖7可以看出，中間凸緣成形效果好，邊緣成形質(zhì)量好，表面質(zhì)量好。鍛件冷卻后測量尺寸，公差控制在≤±0.5內(nèi)，滿足工藝設(shè)計要求，產(chǎn)品合格率為100%。

圖7 改進后的實物圖

2.3 試制結(jié)果分析

通過在外形、斜度、余塊、圓弧和余量等方面進行優(yōu)化改善，保證了金屬流動，有效降低了鍛造力，實現(xiàn)了用現(xiàn)有2500 t電動螺旋壓力機成形表面積大、厚度薄的零件，產(chǎn)品不僅成形精度高，且力學性能良好，材料利用率高。

精準制坯時，制坯后毛坯中間凸緣和外緣凸緣部分的體積與鍛件相應(yīng)部位相適應(yīng)，避免了終鍛時金屬劇烈流動，解決了局部充不滿難題。

創(chuàng)新模具設(shè)計，改變思維模式，大膽嘗試新方法，有效降低了金屬在型腔中的流動阻力。

在鍛件的斷面有較大差別時，從一個斷面過渡到另一斷面應(yīng)使變化較緩慢，防止過渡變化突然，即從一個直徑到另一直徑時，避免直角轉(zhuǎn)折和較小的圓弧連接，將斷面變化部位設(shè)計成錐形過渡，過渡部位的銜接處采用充分平滑的圓弧連接，有效降低了金屬在型腔中的流動阻力。

3 結(jié)語

通過上述研究得出如下結(jié)論。

1)通過分析原因和對工藝、鍛模結(jié)構(gòu)改進方案進行驗證，解決了金屬流動困難難題，有效降低了理論打擊力，不僅使鍛件質(zhì)量得到了保證，同時生產(chǎn)效率和成本也得到了降低，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)和節(jié)約增效的目的。

2)使用小噸位模鍛設(shè)備，成形復(fù)雜產(chǎn)品時，采用閉式模鍛工藝是一種可行的思路。但在采用閉式模鍛工藝鍛造時，投影面積應(yīng)盡量限制在工藝所允許的范圍內(nèi)，這樣可避免對設(shè)備和鍛模造成傷害。

3)在鍛造過程中，應(yīng)重視鍛坯加熱質(zhì)量和鍛模潤滑，采用性能優(yōu)良的潤滑劑，并使坯料保持在鍛造溫度上限，可有效降低鍛造力，有利于鍛件成形。