E形前臂軸鍛件成形工藝優化與提高

文/楊釗，張國宏，呂陽峰，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

E形前臂軸鍛件成形工藝優化與提高

文/楊釗，張國宏，呂陽峰，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

楊釗，助理工程師，主要從事鍛件工藝開發及模具設計，三維造型以及現場服務等工作。

隨著現代鍛造行業的發展，鍛造行業的競爭日益激烈，如何提高鍛件質量、縮短零件生產周期及降低生產成本成為企業能否立足市場的關鍵因素，作為鍛件設計開發人員，只有不斷地對鍛造工藝進行優化，才能使得產品更加符合客戶要求，同時不斷降低生產成本。

E形前臂軸鍛件是第一拖拉機股份有限公司鍛造廠（以下簡稱鍛造廠）為CAT挖掘機上開發的一種關鍵零部件，結構形狀復雜，鍛造工藝性較差。該產品原來是焊接結構件，客戶在進行產品結構優化后采用鍛造工藝生產，因此成形難度非常大，E形前臂軸鍛件如圖1所示。經過前期工藝分析我廠2007年底完成了首次樣件試制開發，后來由于工藝的穩定性較差，產品質量不穩定等因素，分別在2008年和2011年進行了兩次大的工藝改進，通過改進工藝，取得了較好的效果，目前該產品已經實現了大批量生產，最終得到了客戶的認可。

圖1 E形前軸臂鍛件

原工藝分析

首次工藝方案

經過對產品進行結構以及鍛造工藝分析，初步確認該產品需要在8t以上的壓機設備上鍛造，結合我廠現有設備特點，最終確定在10t模鍛錘上進行生產，鍛模剖視圖如圖2所示?？紤]到產品結構差異較大，導致鍛造過程中材料分配差異較大的特點，專門設計了具有彎曲功能的型槽，最終的生產工藝方案包括：下料→加熱→彎曲→終鍛→切邊→熱處理→噴丸→防銹→機加工→包裝防銹→入庫。

主要存在的問題

工藝方案確定后，按照計劃節點進行了工裝模具的設計和制造，并進行了首次樣件試制，從現場調試過程中發現的主要問題有：設計時考慮到鍛件形狀復雜、材料分配差異大和去除氧化皮等需要，所以在終鍛前進行了彎曲工序，但是在實際生產中，由于彎曲型槽和鍛模之間局部落差較大，導致上模彎曲型槽部分強度不足；由于彎曲型槽設計不合理，導致彎曲后在終鍛型槽中不易定位，鍛打時造成鍛件部分充不滿嚴重，從而導致鍛件廢品率較高；前期工藝分析過程中對鍛件的功能性理解不足，造成鍛件局部余量過大，后續機加工效率很低；前期未考慮校正工序，部分鍛件局部彎曲，尺寸不能滿足后續機加工需要；鍛件材料利用率較低，成本較高。

由于樣件試制周期較長，首次調試中出現的問題沒有進行及時的改進，到二次小批量鍛打時，模具的上模在彎曲型槽部位出現了斷裂，最終導致模具報廢，該套模具一共僅僅生產了不到500件。

圖2 鍛模剖視圖

工藝方案分析

第一次工藝改進

由于出現上述問題，客戶又急需該產品，故我廠技術人員在原有工藝的基礎上對該工藝進行了局部修訂，主要從模具斷裂問題著手，分析出彎曲型槽落差過大造成模具局部強度不足，導致鍛造過程中模具斷裂。因此，確定的修改方案是改進彎曲型槽，將彎曲工步改為卡壓工步，改進后，上模結構得到了很大的改善，模具強度得到了提高，經過生產工藝驗證，可以滿足批量生產。改進后的卡壓工步如圖3所示，模具結構如圖4所示。

從首次修改過程來看，雖然改進了模具結構，但是，在后續生產過程中仍舊會出現工人鍛打定位較差、鍛件廢品率高、鍛件局部彎曲、后續機加工效率低等問題。由于前期該產品客戶需求量較小，上述問題在后續生產中一直存在。

圖3 改進后的B-B卡壓工步

圖4 改進后的模具

二次工藝改進

隨著產品訂單的不斷增加，由于工藝問題的存在，逐漸影響到該產品的交付時間。為了進一步提高生產效率，更好地滿足客戶對產品質量、交付時間及生產成本等的要求，針對前期生產中存在的問題，我廠工藝人員對E形前臂軸鍛件從以下幾個方面進行了工藝優化。

⑴重新設計錘上模鍛工藝。將E形前臂軸鍛件的鍛造工步由卡壓→終鍛改為直接終鍛，上下模進行互換，由原三個鎖扣增加為四個鎖扣，同時將鍛件局部分形面進行改進，主要目的是為了降低操作難度，提高坯料在鍛模中的定位準確度，減小鍛件充不滿的可能，從而降低了鍛件的廢品率，進一步提高了鍛件的質量。

⑵增加熱校正工序。保證切邊后鍛件小頭落差尺寸合格，滿足后續機加工的需要，提高產品的合格率。

⑶針對后續機加工余量大的情況，通過跟蹤鍛件機加工流程，分析梳理出容易加工的地方，減少該部位的加工余量，設計E形前臂軸鍛件小余量鍛件圖。通過本次小余量改進，縮短了后續機加工工時，提高了機加工效率。

⑷鍛造成形模擬分析。為了進一步降低生產成本，提高工藝的合理性，避免原工藝問題的再次出現，對該改進方案采用DEFORM軟件進行了成形過程模擬分析。通過CAE過程模擬分析能較準確的發現鍛件在成形過程中出現的各種問題，如拐角處折紋、充滿度、毛邊大小等。經過分析可以精確計算坯料大小，提高材料利用率；鍛件成形過程中出現的折紋等缺陷也能在模具設計過程中通過改變模具相應部位圓角進行模擬，從而最終確定合適的圓角尺寸避免產生折疊。通過分析模擬結果（如圖5所示），對鍛模局部結構又進行了進一步的改進，同時將原工藝用料由φ140mm改為φ135mm，提高了材料利用率，進一步降低了生產成本。

工藝生產驗證

經過反復工藝修訂以及計算機仿真模擬分析，根據模擬情況對鍛模結構進行了整體的優化處理；局部圓角進行了加大處理；鍛模橋部厚度和橋部的寬度進行分段處理，保證鍛件能夠全部充滿，最終將修訂后的方案在新投入的模塊上進行了加工制造，并順利完成了生產調試。從現場調試情況看，第二次的工藝優化方案非常理想，完全達到了預期的目的，工藝改進前后生產的鍛件如圖6所示。

在鍛打方面，由于增加了四角鎖扣，生產班組中基本不需要調整錯移，取消卡壓工序后，坯料的擺放比較容易實現，不再出現位置不固定的現象，班組生產效率大大提高，班組產量最高達到400件，是原來的2倍以上。

圖6 工藝改進前后鍛件結構

在鍛件質量方面，由于鍛打的穩定性得到了提高，鍛件充不滿情況不再出現，增加了校正工序以后，鍛件的尺寸也得到保證，從而也極大地降低了由于鍛件變形導致后續加工過程中產生廢品的數量。同時，由于原來鍛件需要機加的局部位置采用了鍛造直接成形，縮短了機加工的周期，所以這也進一步提高了機加工效率。工藝改進前后鍛件機加工余量如圖7所示。

圖7 工藝改進前后鍛件機加工余量

圖8 工藝改進前后產生的飛邊

在成本控制方面，通過采用φ135mm規格的坯料進行生產，在保證鍛件質量的前提下，每件鍛件節約原材料4.4kg，再考慮鍛件余量減小后，鍛件重量較原來減輕4kg，每件鍛件產品降低生產成本約30元。工藝改進前后產生的飛邊，如圖8所示。

結束語

通過對該產品進行多次工藝改進，最終達到了提高產品質量，降低生產成本，縮短零件生產周期的目的，也保證了產品的交付時間，在工藝改進過程中，不僅僅是提高了鍛造工藝水平，更為重要的是改進了產品的機加工工藝，通過分析產品裝配要求，對拐角處只需保證裝配不干涉的部位在切邊過程中直接切出，取消了部分機加工工序。這次工藝改進取得了不小的成績，希望工藝設計人員在鍛件的設計過程中要更多的和后續機加工工藝緊密結合在一起，在滿足客戶要求的前提下，以最小的生產成本生產出質量最好的產品。