40CrNiMo高套筒鍛造工藝的研究

文／于志亮·天津市志亮金屬鍛造有限公司

40CrNiMo高套筒鍛造工藝的研究

文／于志亮·天津市志亮金屬鍛造有限公司

自由鍛企業經常要生產一些批量較小，力學性能要求高，同時又不允許采用無縫鋼管而必須鍛造成形的高套筒形鍛件，這類鍛件的幾何形狀特點是高徑比較大，同時壁厚又較薄，材質多采用優質合金鋼如40CrNiMo，鍛造成形的難度比較大，一直是自由鍛生產中的難題。

傳統工藝

傳統的自由鍛工藝為了保證里孔偏斜小，同時又便于把沖頭從坯料里退出，只能將坯料鐓粗至D≈H時沖孔(圖1），沖孔時采用雙面沖孔工藝(圖2），正面用沖頭沖至高度的2/3左右時將沖頭退出，將坯料翻轉后再從背后沖透，這樣沖出的孔比較正，但同時也產生了一個問題，那就是后序的拔長很困難，而且很容易出現偏差(圖3）。拔長時由于沖頭是涼的而坯料是熱的，同時變形量很大，因此在大力錘擊時，時間過長會極容易造成里孔裂紋，這是造成廢品的重要原因。即使由于勤換沖頭沒有鍛裂，但成形也很困難，最容易發生的拔長變形問題是高度方向嚴重不齊，而進行校正后把高度又打回了很多，這時就需要再次拔長，這樣反復拔長、校正，生產效率很低。

圖2 雙面沖孔常規工藝

圖3 拔長時產生偏差

新型工藝

為了提高生產效率及保證產品質量，必須減少拔長程度，而減少拔長程度就必須在坯料高度較高時將坯料里孔沖透，這樣不僅能有效地避免里孔裂紋的產生，提高產品質量，同時也可以提高生產效率。但此過程中必須解決好一個問題，那就是孔必須沖正并沖通且能順利拔出沖頭才行，否則如果將孔沖歪或沖偏，是很難再糾正回來的，這樣會造成較高的廢品率。

我公司為了解決這類鍛件的鍛造難題，對傳統的鍛造工藝進行了多次改進，現采用高位雙面沖孔＋馬杠擴孔的新型鍛造工藝來生產這類鍛件。以C型連接套為例，此零件材質為40CrNiMo，有保二級探傷合格的要求，零件尺寸為φ150mm×φ120mm×270mm，原鍛件尺寸設計為φ(165±4）mm×φ(90±5）mm×(290±3）mm，下料重量為39kg，下料規格為φ180mm×195mm，火次為3～4火，使用設備為560kg或750kg空氣錘，班產量大約為25件，廢品率為10%左右。我公司采用新型鍛造工藝后鍛件尺寸設計為φ(162±3）mm×φ(105±4）mm×(285±3）mm，下料重量為34kg，下料規格為φ130mm×326mm，火次為2火，使用設備為560kg或750kg空氣錘，班產量大約為50件，廢品率在1%以下。下面就說明一下此新型鍛造工藝的基本過程。

我們現行的工藝是將坯料略為鐓粗，找正即可。沖孔時坯料高度掌握在310～315mm，采用我公司創造的新型雙面沖孔法(圖4）進行沖孔。首先，使用1＃頭沖頭(圖5a）沖孔到40～50mm深(這個沖孔深度很容易把沖頭拔出），然后換成2＃頭沖頭(圖5b）將孔繼續沖深到120～130mm，正面沖完后，再在反面沖出120～130mm深的深孔。常規的沖頭底部和頂部都是平的，而我們將兩個頭沖頭的頂部改成球面，這樣頂部就如同手工大錘的錘面，這一點非常重要，因為這樣能有效地解決孔容易沖歪或沖偏問題的發生。這時再把二沖頭(圖6）打入坯料中，將其頂部打到與坯料表面齊平為止，此時芯料已被頂活，然后馬上翻轉毛坯，再用另一個二沖頭把第一個二沖頭連同芯料一起頂出，頂出后便實現了孔徑的貫通，然后馬上翻轉毛坯，再用一個普通沖頭把第二個二沖頭頂出即可。接下來使用擴孔沖頭擴大內孔，以保證內孔直徑大于60mm。在擴內孔時，不用考慮坯料的外徑是多少，但必須保證其高度不小于285mm，此時壁厚可能有一些偏，不過只要偏差不大于10mm，在后序用馬杠擴孔還是可以校正過來的，但是如果采用沖頭擴孔，那就沒有辦法糾正了。至此第一火完成，然后入爐加熱準備第二火鍛造。第二火加熱后將毛坯放在馬杠上，用φ60mm的芯軸擴孔(圖7），將內孔直徑擴到大于80mm，停錘找正，稍鐓即可，高度方向的尺寸必須保證不得低于285mm，然后換φ80mm的芯軸繼續擴孔至要求尺寸，最后修整各部尺寸。

圖4 新型雙面沖孔法沖孔過程示意圖

操作過程中的注意事項

圖5 頭沖頭

圖6 二沖頭

圖7 馬杠擴孔

⑴由于是在高徑比很大的坯料上沖孔，故而孔很容易沖歪或沖偏，為了克服這一問題，除去對操作工人的技術要求較高、動作要快之外，對沖頭本身也有一定的要求，沖頭需由經驗豐富的鍛工精心打制，并需經淬火處理，硬度要求在38～45HRC，材質采用5CrMnMo或5CrNiMo。

這里需要強調的一點是，正確使用沖頭很關鍵，如在使用頭沖頭沖兩面盲孔時，在沖孔前須將沖頭烤至200℃左右，且沖孔時每打一錘必須要放入煤屑，這樣方便拔出沖頭與找正，同時也更加安全，正面沖到要求的尺寸規格以后立即翻轉坯料，再進行反面沖孔，反面沖孔完成后，頭沖工作便告完成，此時應立即將頭沖頭放入水槽中冷卻。同時要注意的是，為保證頭沖頭的完好以便反復使用，頭沖頭絕不可用于別處。同理，二沖頭也要做到專用才好。

對于二沖頭來說，材質的要求并不是很嚴格，常規沖頭材料選用A7、T8、T10、65Mn、45鋼均可，也不需要經過淬火處理，由鍛工手工淬硬一下即可，但其尺寸要求嚴格，否則使用起來不方便，而且還會影響進度及質量。對于擴孔沖頭基本就沒有什么要求了，由鍛工自己改制即可。

⑵用馬杠擴孔時，第一道芯軸用φ60mm圓鋼需要經過鍛造才能使用，材質采用35CrMo，需做調質處理，硬度在25～30HRC，需要注意的是，使用前必須將其烤至150℃左右，這樣既安全也會延長芯軸的使用壽命。第二道芯軸用φ80mm圓鋼則無特別的要求，材質采用40Cr或45鋼均可。

于志亮，董事長，高級技師，主要從事自由鍛工藝及新材料應用等方面的研究，1984年全國技術考試名列鍛工前十名，2011年獲得天津鍛造行業優秀工藝獎，2013年獲得天津奉獻鍛造行業優秀個人獎。