工字型類鍛件拼分模工藝的研究與應用

文／張文博，黃貴林，祁易·中車資陽機車有限公司

工字型類鍛件是石油鉆采行業中井口裝置、采油樹及節流、壓井等設備中比較常用的零件之一，市場需求較大。該類鍛件外形具有以下特點：兩端法蘭盤與中間圓柱同軸、法蘭盤與中間連接圓柱體直徑相差大。

鍛造工藝的現狀與分析

工字型鍛件目前常用的生產工藝為：

⑴以該產品法蘭盤直徑的粗加工尺寸為基準，在此基礎上放加工量直接鍛造成大圓柱體鍛件，然后采用機加工的方式成形；

⑵在上述生產工藝中增加對中間小圓柱部分進行象征性拔長工序成形。

但是上述兩種生產工藝均存在以下不足：1)原材料利用率低，極端情況下不到50%（以本文所研究產品為例，采用以上生產工藝（直接自由鍛）原材料利用率最高僅為74%）；2)部分尺寸加工余量極大，加工費用高，致使生產成本高、產品盈利能力弱；3)生產周期長，客戶滿意率低。

本文主要研究工字型類鍛件的拼分模工藝，突破傳統生產工藝的局限，避免上述問題的出現，以降低生產成本、適應市場節奏，增加市場競爭力為最終目標。本文中著重從此類鍛件的外形出發，設計拼分模，采用胎模鍛工藝生產，達到模鍛件的尺寸精度。

工字型類鍛件工藝流程

由于此類鍛件以中小批量為主，采用模鍛工藝生產，工裝投入過多且生產成本較大，難以提升市場競爭力，故綜合分析考慮，研究拼分模生產工藝，可同時具有模鍛產品的精度與胎模鍛生產中多品種小批量的雙重優勢。具體工藝流程圖如圖1 所示。

鍛件設計

此次新開發的工字型類零件質量101.96kg，鍛件質量154kg，按模鍛的工藝計算方式：復雜系數S=0.53，在自由鍛件工藝當中已經屬于復雜類鍛件，對拼分模的設計提出了更高的要求。

根據用戶提供的零件圖，依據新的工藝方案，繪制出鍛件圖，接近于模鍛件工藝余量，產品尺寸精度高，零件圖和鍛件圖如圖2 所示。

鍛造工藝方案制定

鍛造工序生產工藝方案為：對坯料先進行拔長后用胎模鐓粗成形一端法蘭盤，然后利用拼分鑲塊及外套筒模組合拼分模鐓粗成形另一端法蘭盤。采用此鍛造工藝，第一道鐓粗工序相當于第二次鐓粗成形工序的出坯工序，可以很好的控制鍛件偏心問題及坯料尺寸精度。

經過計算，在最后一道用拼分模鍛造成形時，鍛件質量及拼分模質量合計超過600kg，鍛造設備選用3t 自由鍛錘。

模具設計

胎模、拼分鑲塊及套筒模設計依據

胎模的設計依據：冷鍛件圖→熱鍛件→胎模。熱鍛件尺寸計算如公式（1）。

式中：Lt為終鍛溫度時的鍛件尺寸（mm）；

L 為冷態時鍛件的尺寸（mm）；

α 為材料線膨脹系數（1/℃）；

t 為終鍛溫度（℃）。

對于石油行業鍛件材料（主要為：AISI4130、410SS）來說，始鍛溫度一般取為1150℃，終鍛溫度≥860℃，對于此鍛件鍛造操作過程相對較長，終鍛溫度較低，冷縮率適當減小，通常取為1.2%～1.4%。

拼分鑲塊的設計參照胎模設計流程，在設計過程中著重考慮與套筒模裝配問題，避免組裝不起或難以組裝的情況發生。

胎模及拼分模設計

根據既定鍛造生產工藝方案，結合胎模設計要素，設計出胎模（圖3）、拼分鑲塊（圖4）及套筒模（圖5）。

圖3 所示為第一道鐓粗胎模，設計之初需要精確計算鍛件的下料重量，否則鐓粗后，后面拼分模自由鍛將存在充不滿的情況。

圖4 所示為拼分鑲塊，在設計時必須考慮到拼分鑲塊在鍛件成形后位于鍛件中間圓柱部位，為便于取出，在拼分模接口位置做出斜槽，以便鍛后拼分鑲塊取下。同時進行局部優化設計，與法蘭盤內側接觸端面設計斜度10°，內側倒角R20mm，外側與第二道鐓粗套筒模接觸部分倒角R15mm，模具外側整體斜度與圖3 所示鐓粗胎模內型腔斜度一致，且直徑單邊減少1mm 便于放入圖5 所示套筒模型腔。

圖5 所示套筒模為保證鐓粗后法蘭盤尺寸，a2、a3 尺寸設計為熱鍛件尺寸，型腔斜度自由過渡。圖6所示為拼分鑲塊及套筒模組合成的拼分模。

組合胎模在3TZ 上進行鍛造，鍛造過程中承受力量極大，故在設計過程中，對套筒模壁厚整體進行加厚設計。

總結

經過實際小批量生產驗證，拼分模鍛造工藝方案可行且取得了成功，具備批量生產的工藝保障能力。本文中，采用新工藝方法生產工字型鍛件，比直接自由鍛節約原材料23%，新方案生產工字型鍛件達到工藝目標值，鍛件工藝水平與模鍛相當，原材料消耗與模鍛或直接自由鍛相比，節約原材料20%～40%，生產成本更低，工藝靈活性更好。