50kN模鍛錘鍛造大缸底工藝研究

劉保民，馮俊華

（鄭州市技師學院，河南鄭州450006）

缸底是煤礦機械液壓支架上的一個重要零件。由于其生產批量較小、品種較多等原因，通常采用鑲塊模在50kN 模鍛錘上進行開式模鍛。根據原一機部編制的《鍛壓車間設備選用圖冊》介紹，50kN 模鍛錘可鍛模鍛件重量為40kg，可鍛最大回轉體直徑?400（含毛邊）。而以往鍛造的直徑為?320 的缸底最大重量已達70kg，遠超50kN 模鍛錘的負荷能力。故多年來，?＞320 的缸底一般都采用鑄造工藝制造。

由于鑄件內部金屬組織粗大，力學性能低，同時又不可避免地存在偏析、砂眼、縮孔等缺陷，鑄造生產的缸底其組織和性能都要低于鍛件，在高壓工作時容易出現滲漏；機加工廢品率高。在研制一新型支架過程中，需要?400 大缸底，如圖1 所示。為了提高支架整體質量，技術部門希望能采用模鍛工藝生產缸底毛坯，既可提高缸底毛坯強度，杜絕缸底滲漏，又能減少廢品率，提高綜合經濟效益。但企業最大的模鍛設備為50kN 模鍛錘，通常情況下無法完成?400 大缸底的鍛造。經過反復計算設計，最終在此設備上成功鍛制出該大缸底。

1 開式模鍛工藝分析

錘上模鍛是上、下模塊分別緊固在錘頭與砧座上，將加熱的金屬坯料放入下模膛中，利用上模向下的沖擊作用，使金屬在鍛模模膛內塑性流動，從而獲得與模膛形狀一致的鍛件的一種模鍛工藝方法，分為開式模鍛和閉式模鍛兩大類。由于閉式模鍛受到坯料、出模方法等影響，應用較少，一般均采用開式模鍛工藝進行鍛造。

為確定工藝方案，首先對?400 缸底開式模鍛工藝方案進行了分析計算。據《鍛造手冊》推薦的鍛錘噸位計算公式：

3.5～6.3——生產率系數，生產率越高數值越大。此處取平均值4.9；

F總——鍛件（包括飛邊）在水平面內的投影面積。取飛邊寬40mm，經計算水平投影面積 F總≈2378cm2；

K——鋼種系數(缸底材料為27SiMn，經查表鋼種系數取1.1)。

計算得：G=12817kg。即鍛造?400 缸底采用一般生產率生產約需130kN 模鍛設備，與現有設備相差較大。即使采用較低的生產率生產，即生產率系數取3.5 時，計算得G=9155kg，即仍然至少需要90kN模鍛設備才能完成。以上分析說明，用50kN 模鍛錘采用開式模鍛工藝鍛造此?400 大缸底是不可行的，需研究其他工藝方案。

2 閉式模鍛工藝分析

開式模鍛的毛邊槽由橋部和倉部組成，由于橋部的存在，造成鍛件在成形過程中時間比較長，同時飛邊降溫速度又較快，使得所需成形力急劇上升。根據《鍛造手冊》可知，投影面積是影響鍛造力的主要因素。開式模鍛的飛邊造成了所需設備噸位較大。因此，要降低鍛造力，就需要減少工件的投影面積，去掉飛邊是唯一可行的辦法，即采用閉式模鍛工藝來鍛造?400 缸底。閉式模鍛由于無飛邊，因而投影面積小，可大幅降低鍛造成形力。據《鍛造工藝學》介紹，對于同一鍛件，在變形程度基本相同時，開式模鍛和閉式模鍛相比，閉式模鍛可減少25%的鍛造力。因此采用閉式鍛造，可增加成功率。采用閉式模鍛還可節省一套尺寸結構較大的切邊模，同時也省去了切邊環節，減輕工人勞動強度。

針對閉式模鍛模具的特點，需對坯料進行優化設計。根據?400 缸底零件圖，缸底側壁上有兩耳，機加工側壁比較困難，成本也較高，故鍛件外壁不留加工余量，在鍛造過程中注意清除氧化皮，鍛件鍛成后稍經噴砂和修磨，即能滿足零件表面粗糙度要求。由于屬于超負荷鍛造，鍛造成形時間要比正常情況長，鍛件與模壁接觸后溫度下降較快，使金屬流動性變差,不利于鍛件成形,故對工件內窩的余量適當加大。據此制定?400 缸底閉式模鍛鍛件圖，如圖2 所示。

設計時適當考慮加大內壁余量，增加側壁厚度，應有利于成形。按此計算，毛坯最大直徑為?469。兩耳加上余塊和斜度后，投影面積約為165×26.5×2。則鍛件最大成形投影面積為：

按照該權重系數分配方案計算各個候選父節點的綜合評價值。即將該權重系數帶入式(5),即可求得各個候選父節點的綜合評價值。再由式(6),即可選出偏好父節點。即選擇綜合評價函數最小值對應的候選父節點為偏好父節點。

另外，在設計缸底鍛模時,兩耳在成形過程中能先充滿的部分放在上部，下部是添加的余塊。閉式模鍛仍可參照開式模鍛來選用設備噸位，其計算公式為：

從計算結果看，鍛造?400 缸底仍需70kN 模鍛錘，但較前面的計算來看，情況顯然好的多。我們進一步進行了分析研究，并根據有關參考資料介紹公式對成形力進行了計算。

在《鍛造手冊》中，對有砧座錘的打擊力P（平均值）與能量的關系如下：

式中：P——鍛錘的打擊力；

Eg——鍛錘公稱打擊能量；

δ1——鍛坯在鍛靠時的變形量；

δ2——砧座在打擊過程中的下移量；

m1——落下部分質量；

m2——砧座的質量。

由上式大致得出，50kN 模鍛錘的最終成形沖擊力在40000kN～50000kN 之間，經計算，缸底獲得的單位變形力至少為：

采用閉式模鍛鍛造?400 缸底所需的變形力，可根據《鍛壓變形力的工程計算》一書中所給出的圓柱體閉式模鍛鐓粗單位變形力公式進行計算:

式中：P2——閉式鐓粗時鍛件所需的單位變形力；

a1——鍛件角隙處的圓角半徑（允許取值為10mm）；

R——凹模筒的半徑，R=469/2mm；

由上式估算可得：P2≈2σs。

由于?400 缸底材料采用27SiMn，850℃時的屈服極限為σs=90MPa，則要模鍛出?400 缸底需要的單位變形力為P2≈2×90=180MPa。經對比可得，50kN模鍛錘能提供的單位變形力220MPa，完全能滿足鍛造?400 缸底要求。

3 鍛造比及工藝方案

根據缸底鍛件圖考慮燒損等計算出坯料重量，選用的坯料尺寸為?300mm×351mm，由于坯料在模膛內鐓粗成形后高度尺寸變為160mm，由《鍛造工藝學》中局部鍛造比計算公式可得

鍛件中部的鍛造比約2.2。按《金屬壓力加工原理》一書介紹，鍛造比在2～3 之間時，鍛件的橫向力學性能與縱向力學性能達到最佳配比。因此，尺寸及外觀合格的鍛件，其鍛件性能應當能充分滿足支架對缸底的機械性能要求。

經多次分析計算和對比，確定鍛造?400 缸底的工藝方案為：下料（?300mm×351mm）→煤氣加熱爐加熱→閉式模鍛成形（采用50kN 模鍛錘）→修整。

4 缸底封閉鍛模設計

根據以上研究分析，本著以下幾個原則，最終確定了?400 缸底閉式模鍛的鍛模（圖3）：①盡可能減少工件的水平投影面積，降低鍛造力；②在不影響成品質量和金屬流動的情況下，盡量減少加工余量；③鍛模結構要保證金屬有較好的流動性能；④由于工件尺寸大，故既要考慮操作方便，又要考慮成形時氧化皮清理方便，以滿足鍛件表面質量要求，尤其是球面的質量應重點考慮；⑤鍛件外壁拔模斜度為7°，內壁拔模斜度≥15°；⑥采用5CrMnMo 作為鍛模材料，鍛模毛坯首先進行鍛造，鍛造后進行等溫退火處理，要求在粗加工后進行內部探傷。

5 試制過程

在試制過程中，重點控制以下幾個方面：①鍛模預熱及模體工作溫度控制；②鍛造過程中壓風壓力保證；③鍛坯加熱時每爐裝爐數量；④鍛坯加熱溫度測控（利用紅外測溫儀）；⑤坯料出爐轉運；⑥型腔潤滑措施（采用石墨潤滑裝置）；⑦成品出模防磕碰措施；⑧鍛件成品堆積數量及冷卻方式；⑨鍛后檢測及缺陷修補等。

首批共試制了5 件，因鍛件重達196kg，整個鍛造過程比較艱苦，在坯料裝出爐、鍛造成形等環節均遇到較大困難。但最終試制的缸底成形基本良好，并經過各項檢驗，?400 缸底完全滿足圖紙要求。

用50kN 模鍛錘鍛造?400 缸底雖然獲得了成功，但還是存在一定的問題：首先是設備噸位小，使得鍛造成形力偏低，鍛件成形時鍛錘錘擊次數較多，長此以往對鍛錘會造成一定損害；二是因鍛件成形時間較長，鍛坯在模具中停留時間長，造成鍛模升溫較快，溫度較高。鍛件下錘后需噴大量冷卻劑使鍛模降溫。而鍛模驟冷驟熱，降低了模具使用壽命。

6 結論

使用小噸位模鍛錘，干超負荷模鍛件，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，投影面積應盡量限制在開式模鍛工藝所允許的范圍內，這樣可避免對設備和鍛模造成的傷害。同時，在采用閉式模鍛工藝時，應使工件形狀易于充滿；閉式模鍛鍛件的內外斜度應比開式模鍛件的大。另外還應考慮工件出模的難易程度，在外形、斜度、余塊、圓弧、余量等方面進行優化改善。在鍛造超負荷鍛件時，應重視鍛坯加熱質量和鍛模潤滑，采用性能優良的潤滑劑，并使坯料保持在鍛造溫度上限，可有效降低鍛造力，有利于鍛件的脫模。

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