接頭系列鍛件的工藝改進(jìn)

文/白景富·中國第一汽車股份有限公司

接頭系列鍛件的工藝改進(jìn)

文/白景富·中國第一汽車股份有限公司

企業(yè)的發(fā)展離不開創(chuàng)新和改進(jìn)，如何以更小的成本創(chuàng)造更大的利潤，是企業(yè)永遠(yuǎn)追求的主題。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，提高材料利用率、節(jié)能降耗、改善工作環(huán)境、降低工人的勞動強度、提高工作效率和應(yīng)用新工藝等措施已勢在必行。本文以1H接頭—轉(zhuǎn)向縱拉桿為例來論述接頭系列鍛件的工藝改進(jìn)。

工藝歷史及現(xiàn)狀

1H接頭—轉(zhuǎn)向縱拉桿原來的鍛造工藝流程為：下料→天然氣加熱→1t蒸汽錘（預(yù)鍛、終鍛）→熱切邊→調(diào)質(zhì)→清理→入庫。天然氣加熱時加熱的爐內(nèi)氣氛、爐溫及加熱質(zhì)量較難控制，造成鋼材表面氧化嚴(yán)重、鍛件表面質(zhì)量差、能源消耗高和工人勞動條件差等缺點。同時，模具為整體模塊，模具費用高。

后來工藝流程更改為：下料→中頻感應(yīng)電加熱→16000kN鍛壓機（預(yù)鍛、終鍛）→熱切邊→調(diào)質(zhì)→清理→入庫。中頻感應(yīng)電加熱具有加熱速度快、爐溫控制準(zhǔn)確、加熱質(zhì)量好等優(yōu)點，解決了鋼材表面氧化嚴(yán)重、鍛件表面質(zhì)量差、能源消耗高和工人勞動條件差等問題；同時，模具也由整體模塊結(jié)構(gòu)改為鑲塊結(jié)構(gòu)，模具費用比整體模塊大幅度降低，但鍛件（如圖1）仍然存在以下問題：

⑴鍛件頭部在鍛打時橫著擺放，頭部分模面有毛刺，加工定位時需避開分模面。

⑵鍛件質(zhì)量大，毛坯消耗大，材料利用率偏低。

⑶加工時鍛件單邊加工余量大，并且為斷續(xù)加工，刀具消耗高，客戶抱怨大。

圖1 鍛件簡圖

新技術(shù)的應(yīng)用及改進(jìn)

鍛造成形是現(xiàn)代制造業(yè)中的重要加工方法之一。鍛造成形的制件有其他加工方法難以達(dá)到的良好的力學(xué)性能。但目前鍛造工藝和模具設(shè)計，大多仍采用生產(chǎn)調(diào)試和類比的傳統(tǒng)方法，不僅調(diào)試時費時而且鍛件的質(zhì)量和精度很難提高。隨著有限元理論的成熟和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，進(jìn)行鍛壓模擬成形分析，并據(jù)此設(shè)計或改進(jìn)工藝和模具，已成為一種行之有效的手段。

FORGE模擬軟件在鍛造設(shè)計及工藝改進(jìn)中的應(yīng)用可避免由于設(shè)計或改進(jìn)失誤造成模具成本的提高和鍛件的浪費，利用FORGE模擬軟件可清晰地看出已設(shè)計或改進(jìn)模具的金屬在鍛打時的流動方向，鍛件能否充滿，是否產(chǎn)生折疊等，充分指導(dǎo)進(jìn)行模具設(shè)計或改進(jìn)。為了達(dá)到理想的充滿效果，使1H接頭—轉(zhuǎn)向縱拉桿鍛件在鍛打時頭部盡量以鐓粗的方式成形。首先要研究工藝方案如何確定，原來的預(yù)鍛只壓桿部，為了達(dá)到理想的成形方式，必須對預(yù)鍛進(jìn)行更改，經(jīng)過反復(fù)模擬，需在預(yù)鍛將頭部的坯料參與變形。模具的結(jié)構(gòu)由原來的上下模都是平面，更改為如圖2所示的模具結(jié)構(gòu)。

圖2 更改后的模具上下模

為了便于加工和減少加工余量，經(jīng)過與機加單位進(jìn)行溝通和確認(rèn)，依據(jù)產(chǎn)品圖，重新確定了鍛件分模面、機械加工余量和公差、模鍛斜度、圓角半徑、鍛件圖及鍛件技術(shù)條件。將終鍛鍛打方向和鍛件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變，重新設(shè)計和會簽了鍛件圖，如圖3所示。

圖3 重新設(shè)計的鍛件圖

將預(yù)鍛和終鍛的模具結(jié)構(gòu)確認(rèn)后，并將模具圖進(jìn)行重新設(shè)計。利用上述的FORGE軟件對預(yù)鍛及終鍛進(jìn)行模擬，最終的模擬結(jié)果，終鍛件成形效果理想，如圖4所示。經(jīng)過多輪鍛打及機加單位試加工，小批量生產(chǎn)，批量生產(chǎn)時達(dá)到了預(yù)期目的。

圖4 鍛件模擬結(jié)果

改進(jìn)工藝前后對比分析

⑴鍛件頭部方向立著鍛打，加工定位時不需要避開分模面，提高了工作效率。

⑵鍛件質(zhì)量減輕，毛坯消耗減少，材料利用率提高了幾個百分點。

⑶加工余量減小，減少了客戶抱怨。

⑷由圖1、3可見，鍛件在改進(jìn)前頭部上下沒有凹窩，頭部表面不平整，加工時需要先銑頭部的兩個平面，再進(jìn)行后序加工，余量大，刀具壽命低，加工時間長；產(chǎn)品中間是階梯孔，加工時需要兩次鉆孔，既浪費工時，又費刀具。改進(jìn)后的鍛件頭部上下有凹窩，頭部表面平整，加工時不需要再銑頭部的兩個平面，可直接進(jìn)行后序加工，節(jié)省了加工機床，避免了刀具損失，降低了人工成本，提高了工作效率；由于鍛件頭部上下有凹窩，加工時只需要一次鉆孔，減少了加工工序，節(jié)省了刀具費用。

經(jīng)濟(jì)、社會效益及建議

經(jīng)濟(jì)及社會效益

從改進(jìn)工藝前后對比分析可以看出，在鍛件生產(chǎn)過程中改進(jìn)后的生產(chǎn)工藝減少了原材料的損失、提高了材料利用率、減少了電能消耗，同時也減輕了工人勞動強度。對于機加工工位節(jié)省了機床加工時間，減少了維修成本；減少了加工工序，避免了刀具損耗；縮短了加工工時，降低了人工成本，生產(chǎn)效率大幅度提高。通過對系列產(chǎn)品的工藝改進(jìn)，對頭部及桿部直徑大小不一的接頭系列產(chǎn)品探索出不同的工藝方案，為以后開發(fā)和改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。在一輛汽車上需要的遠(yuǎn)不止兩件接頭—轉(zhuǎn)向縱拉桿接頭鍛件，類似結(jié)構(gòu)的其他接頭也需要很多。所以，此次接頭系列產(chǎn)品的工藝改進(jìn)打破了幾十年的鍛造工藝和機加工工藝，無論對熱加工工位還是對冷加工工位均帶來巨大的經(jīng)濟(jì)及社會效益和深遠(yuǎn)的影響，達(dá)到了共贏，并且符合能源消耗少，材料利用率高，生產(chǎn)效率高，工序流程短的“綠色鍛造”理念，推動了企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

建議

相關(guān)專家試驗研究已證明35MnV非調(diào)質(zhì)鋼可以取代調(diào)質(zhì)的45鋼，用于生產(chǎn)接頭系列產(chǎn)品。與調(diào)質(zhì)的45鋼相比，用35MnV非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)接頭，取消了調(diào)質(zhì)工序，避免了淬火裂紋，降低了能源消耗，35MnV非調(diào)質(zhì)鋼也具有較好的機加工性能，在其他零部件的生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用。建議可在生產(chǎn)中推廣采用，節(jié)約成本，降低能耗。

結(jié)束語

根據(jù)鍛造工藝一般可以采用切邊沖孔復(fù)合模對鍛件進(jìn)行切邊和沖孔。在此次工藝更改中并沒有采用復(fù)合模：⑴鍛件的內(nèi)孔較小且上下孔不一致；⑵切邊沖孔復(fù)合模價格是簡單切邊模的三倍以上；⑶在生產(chǎn)過程中使用復(fù)合模要求操作者具有較高的調(diào)整技能，故障率高，需要經(jīng)常停工修復(fù)或更換模具，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；⑷此接頭鍛件在加工時只需要一次鉆孔，所以在此次工藝更改時沒有考慮鍛件沖孔。