模鍛錘閉式精密鍛造工藝優化

■ 張向卓，李文新，李士磊

眾所周知，模鍛錘是應用最廣的一種模鍛設備。開式模鍛工藝適應性強，所以目前錘上模鍛大多以開式模鍛為主。但是由于開式模鍛不可避免會產生飛邊，導致原材料利用率較低，且較之閉式鍛造還需要增加切邊工序。隨著設備精度及下料精度的提升，通過工藝優化，可在模鍛錘上實現簡單件的精密成形。

以某輕型貨車變速器中某齒輪件為例（見圖1），通過工藝優化，實現錘上精密鍛造，并最終獲得質量良好的鍛件。

圖1 齒輪件剖面

1. 原工藝存在問題

此齒輪件由于生產批量不大，故設計在模鍛錘上生產，且考慮此齒輪件為簡單盤類體，易于充形，故設計為模鍛錘上閉式鍛造，并在鍛造中直接鍛出油槽。但實際生產過程中，發現有以下幾點問題：

（1）鍛后油槽表面有類似壓痕的缺陷。

（2）鍛件有局部出毛刺和充不滿的現象。

（3）鍛件偶有折疊缺陷。

經觀察分析，在模鍛錘上鍛造時，鍛件極易跳模，跳模后鍛件周向無法重新準確定位，因此，經多次鍛打時油槽錯位，導致油槽處產生類似壓痕的缺陷。

另外，利用模鍛錘平砧制坯時，坯料直徑及厚度波動較大，坯料在型腔中無法準確定位，直徑偏小時放入型腔后間隙大容易放偏，直徑偏大時又不能完全放入型腔，這些都會導致鍛件局部出毛刺和充不滿。

對于鍛件折疊，經模擬分析發現在鍛打時如果打擊能量過高，會出現局部金屬橫向流動過快，帶動周邊金屬流動，從而產生了類似對流的現象并造成折疊。

2. 工藝改進

針對原工藝存在的問題，分析后進行如下改進：

（1）為防止鍛件跳模導致油槽成形出現缺陷，在下模設計用于定位鍛件的余塊，下模及定位余塊結構如圖2b所示，定位余塊設計在連皮位置，沖孔時可直接沖掉，因此，不會導致鍛件局部加工余量增加，并且余塊體積小，對原材料消耗影響不大。

（2）閉式鍛造中，鐓粗制坯餅大小至關重要，為保證制坯餅大小，在模體上設計鐓粗臺，鐓粗臺如圖2c所示。通過上下模體對擊，利用鐓粗臺固定高度可以保證制坯餅厚的一致性，從而保證制坯餅的大小。

（3）完成設計后，利用Deform軟件進行模擬仿真，旨在驗證方案的可行性及合理設定每錘鍛打的打擊能量。

3. DEFORM-3D模擬及實際生產情況

對于該設計方案，利用Deform-3D進行模擬仿真分析。結合實際情況，模擬過程的各項參數設定如附表所示。

圖2 模具

模擬過程參數設定

圖3為用Deform-3D進行模擬的結果，第495步（見圖3a）、第608步（見圖3b）、打擊能量曲線（見圖3c）。圖3c中曲線為設備載荷曲線，其中X坐標為模擬過程的步數，Y坐標為設備載荷，其中1～481步為鐓粗制坯過程，482～609步為成形過程。通過模擬可以看出，定位余塊在成形初始時已充滿，可保證利用余塊定位的可靠性，如圖3a所示；成形過程金屬流動順暢，油槽及減重凹槽處的充滿效果良好，無折疊等缺陷產生，如圖3b所示。經模擬分析，此方案可行，進而進行實際生產。

生產用的模鍛錘、鍛件及成品實物如圖4所示。

圖3 Deform-3D模擬結果

圖4 生產實物

4. 結語

利用優化后工藝進行實際生產時，制坯大小合適，定位良好，定位余塊可以準確定位保證鍛件油槽方向，實際生產的鍛件質量穩定，無折疊及局部出毛刺和未充滿等缺陷的產生；根據模擬結果優化了鍛錘打擊能量的設定，提高了生產效率的同時，模具壽命也得到提高。現此齒輪鍛件已順利完成批量生產，成品已應用于某品牌輕型貨車上。

對于類似件如采用本方案進行生產時，有以下幾點建議：

對于模鍛錘上閉式生產，設備的下頂出是必要的。

閉式鍛造對制坯大小要求更為嚴格，為保證制坯尺寸，可在模具上設計鐓粗臺。

設計模具時要合理設計導向結構，防止嚴重錯模。

成形過程中如果打擊能量過大，容易造成折疊等缺陷，因此建議先輕擊預變形后再重錘充形。

根據Deform模擬情況合理設定打擊能量，可以避免能量浪費，減少模具吸收的打擊能量，有效提高模具使用壽命。