U形鍛件的成形工藝研究與應用

文/張國宏，楊釗，吳傲宗，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

U形鍛件的成形工藝研究與應用

文/張國宏，楊釗，吳傲宗，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

張國宏，助理工程師，主要從事鍛件工藝開發及模具設計，現場工藝服務，鍛件三維造型以及DEFORM模擬分析等工作。

近年來，隨著各種成本如人力、材料、加工等的不斷上漲，導致鍛件的利潤空間越來越小，企業盈利空間越來越小，企業生存越來越困難。如何降低各種成本、提高盈利空間成為現今企業的頭等大事，作為鍛造專業技術人員，在鍛件開發中考慮降低鍛件生產成本尤為重要。

圖1所示的右提升桿連接叉是拖拉機重要性能零件，連接各種農機具，形狀較為復雜，在鍛造成形時必須保證性能要求，零件整體機加工較少。因此，鍛造成形工藝直接影響機加工效率和零件成本。

成形工藝分析

第一種為圖2所示的零件直接鍛造成形。其工藝過程為下料→加熱→模鍛→切邊→熱處理→機加工。直接鍛造成形工藝的優點是鍛件設計簡單，模具結構設計簡單，鍛造成形工藝較好，鍛件質量較好控制；缺點是鍛件質量較重，機加工余量較多和加工時間較長。

圖1 右提升桿連接叉

圖2 直接鍛造成形工藝

第二種為零件經過鍛造成中間坯，切邊后再彎曲成形。其工藝過程為下料→加熱→彎曲→終鍛→切邊→彎曲→熱校正→熱處理→機加工。其工藝成形的優點是鍛件機械加工余量較少，機加工時間較短，生產成本較低，生產效率提高；缺點是鍛件設計較為復雜，模具數量較多，成形工藝一般，鍛件質量較難控制，主要是兩腹板的高度差較難控制、頭部彎曲影響后續機加工和腹板開口尺寸較難控制等。

經過兩種工藝方案對比發現，雖然第一種工藝方案較為簡單，但鍛件機加工余量較多，機加工時間較長，生產效率較低等缺陷制約著零件的大批量生產；第二種工藝方案雖然加工步驟較多，但鍛件機加工余量較少，機加工時間較短，生產效率較高，鍛件成本較低，是比較好的成形工藝方案。因此，選擇第二種成形工藝方案進行鍛件及模具結構設計。

模具彎曲工藝分析

彎曲成形工藝精度較低，且具有彈性回彈現象。保證彎曲后鍛件從模具中取出較為容易，彎曲時不能一次彎曲到位，而是由后續工序保證叉口尺寸合格。

圖3所示的為剛性彎曲模彎曲工藝。模具結構簡單，由彎曲沖頭和彎曲模組成，制造簡單，生產效率和后期維護較為簡單，但彎曲角度較難控制，鍛件容易產生左右變形等缺陷；左右變形缺陷可由彎曲后的熱校正工序加以校正，彎曲角度可由熱處理后油壓機校正保證合格。

圖3 剛性彎曲模彎曲工藝

圖4所示的為柔性彎曲模彎曲工藝。模具結構較復雜，由彎曲沖頭、彎曲旋轉模、旋轉銷和支承座組成，模具制造安裝較為復雜，模具磨損后維護較為困難。由于彎曲旋轉模會在沖頭帶動下旋轉，彎曲旋轉模的導向槽和鍛件彎曲時保持一致，因此能保證鍛件上下兩腹板的尺寸要求。

圖4 柔性彎曲模彎曲工藝

模具運動原理為：在沖頭下落的過程中，沖頭和坯料接觸，在摩擦力的帶動下彎曲旋轉模旋轉。此時坯料在旋轉模旋轉力和沖頭壓力的共同作用下彎曲成形，旋轉模的導向槽和鍛件在彎曲過程中保持一致，這樣保證鍛件彎曲時不會產生左右變形。經過模擬分析得知，這種模具結構靠摩擦力帶動旋轉模旋轉從而完成彎曲工序，現實中較難實現。這個也受設備精度和模具導向精度影響，考慮摩擦力改進成齒輪嚙合旋轉，這樣模具結構很復雜，后期模具維護困難。

計算機成形模擬分析。計算機輔助工程（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加以避免。因此采用基于3D有限元模擬軟件對工藝技術進行分析，縮短鍛件的研發時間和模具設計過程，鍛件調試一次便成功了，大大提高了成功率，顯著縮短了提交樣品的時間。

利用鍛造過程有限元模擬分析軟件DEFORM對彎曲過程進行模擬分析，剛性彎曲模能夠較好地完成彎曲工序。模擬分析能清晰的看到整個彎曲過程中鍛件是如何被彎曲成形的，并且能分步觀察整個彎曲變形過程，便于分析發現問題。比如彎曲前期在沖頭的作用下坯料隨著下行，腹板上翹；繼續彎曲，腹板根部變薄產生塑性變形，腹板開始合攏并緊靠在沖頭兩側，直至彎曲過程結束。模擬結果如圖5所示。

圖5 模擬鍛件成品圖

工藝生產驗證

經過以上分析，確定零件生產工藝路線為：下料→加熱→彎曲→終鍛→切邊→彎曲→熱校正→熱處理→清理→冷校正→入庫。調試后對零件進行全尺寸劃線檢查，鍛件尺寸較好地滿足零件加工尺寸。但如果鍛件出現兩腹板高度差較大，叉口尺寸較難控制等問題，對零件工藝生產過程進行分析，在彎曲后增加一個熱校正工序能較好的保證兩腹板的高度差和叉口尺寸在合格范圍內，鍛件成品如圖6所示。

圖6 鍛件成品圖

結束語

直接鍛造成形的鍛件質量為7.9kg，而經過彎曲成形的鍛件質量為3.8kg，鍛件質量減輕了4.1kg；機加工時間減少了2h。因此，節省了原材料和縮短了機加工時間，減少了生產成本，提高了工作效率。此U形零件的成功開發，給其他特殊形狀零件以后的開發提供了很好的借鑒作用，也積累了大量設計經驗。U形鍛件成功生產，也符合現在政府倡導的綠色經濟、綠色鍛造，提高材料利用率，降低鍛件成本，縮短鍛件機加工時間，為拖拉機新產品盡快投入市場奠定了良好的制造基礎。