軸類鍛件立式鍛造超鐓粗比時鍛件成形工藝的研究

文／姚毅，陳艷杰，于世方，楊成忠·一汽鍛造（吉林）有限公司

軸類零件在鍛壓機上鍛造時，依據分模方式不同，可分為立式鍛造和臥式鍛造。在鍛壓機上采用閉式熱頂鍛工藝時，依據不同軸徑留取最小加工余量，可以設計出不同形狀的鍛件(圖1)。鍛件的形狀與后序成形工藝難易程度有非常大的關系。但有時為了滿足用戶減少加工量的要求，不得不采用成形工藝難度較大的鍛件形狀，如圖1(b)所示形狀。本文就針對此種情況，對鍛件的成形工藝選擇和模具設計進行介紹。

成形工藝方案選擇

鍛件圖確定后，接下來需要設計鍛件的成形方案。對于圖1(b)形狀鍛件，采用熱頂鍛閉式鍛造，可設計兩種成形方案。

⑴坯料規格按中間部位臺階尺寸進行選取，通過擠壓成形最小直徑的桿部，鐓粗成形最大直徑法蘭來成形最終鍛件。

⑵坯料規格按最小直徑的桿部尺寸進行選取，通過連續鐓粗成形中間臺階和最大直徑法蘭來成形最終鍛件。

采用成形方案1，由于坯料規格和最小直徑的桿部外徑相差20毫米，桿部長度達130毫米，在傳統的三工位鍛壓機上，想要通過擠壓成形桿部，通過Forge軟件模擬和實際經驗驗證，都不能將桿部完全充滿。所以，只能選用成形方案2。而選取成形方案2時，坯料長度和直徑的比值達到7.3，即使不計入桿部的微變形，鐓粗比也達到4.3，此時，由于，鍛件鐓粗比遠遠超過不失穩比值，鍛件在鐓粗成形時很容易失穩。為了實現在鍛壓機上三個工位成形鍛件，這就需要在模具設計時采取措施。

模具設計

由于鐓粗比大，在模具設計時，需要充分考慮，合理分配各工位鐓粗比值，以保證各工步鍛件成形良好。

使用Forge軟件對各工位成形進行模擬，確定各工位模具型腔尺寸，形成模具裝配如圖2所示。

鐓粗工位

在設計鐓粗模具時，除了考慮鍛造鐓粗比外，模具結構的設計還需要考慮以下幾個方面因素。

⑴為保證選擇的坯料長度能夠放入模具型腔，坯料規格長度的選擇，需要考慮到設備的行程和模具的閉合高度。如果設備的行程小于坯料長度，可以增加上下模具之間的間隙值，以滿足坯料能夠放進型腔。在放入坯料時，可以把坯料先打斜，歪著放入型腔，在坯料逐步落入下模過程中，慢慢扶正坯料。這樣，間接地增加了設備可以放入坯料的長度。如果遇到上下模具型腔深度很深，模具所剩余部分的強度不能滿足材料承受的鍛打沖擊強度，這時，可以將模具和模座設計成一個整體，以增加模具的強度，保證鍛打過程中模具不破裂。

⑵下料時，坯料的端面斜度對鐓粗比有著非常大的影響。坯料端面斜度的存在，會導致坯料在成形時變形不均勻，成形結束時，鐓粗件出現如圖3所示不對稱的變形。

如果斜度非常大，可能需要減小成形的鐓粗比，才能使鍛件成形良好，這樣就會對以后幾步成形造成影響，進而導致最終不能成形鍛件。因此，建議采用能夠保證端面斜度的下料方式進行下料。

圖3 變形不均勻

⑶錯差因素對成形的影響。鍛件錯差的影響，一個是會造成坯料鐓偏失穩，另一個就是導致在下一步成形時形成折疊。如果設備的精度能夠保證錯差在可以控制的范圍內，模具就不需要采用額外的保證錯差的結構，如果不能，上下模具就需要設計鎖扣來保證鍛件的錯差。模具鎖扣設計時，除注意鎖扣間隙值外，最應該注意的就是鎖扣的導向長度。導向長度需要保證，上模型腔底部接觸坯料時，模具導向已經嚙合，不然設計的鎖扣所起的作用將大打折扣。

⑷上下模具之間的間隙值對成形的影響。間隙值越大，越需要精確計算成形部分的體積，因為沒有型腔的限制，間隙部位坯料直徑的變化難以控制。如果計算不當，會導致此部位變形過大，如超過預鍛型腔尺寸，坯料將不能完全放入預鍛型腔，輕者會出現預鍛成形過程中刮蹭金屬形成折疊，嚴重時則會導致成形徹底失敗。

預鍛工位

預鍛設計時，需要注意的是型腔的體積一定要大于坯料的體積，這樣就能夠保證預鍛件成形時不會在上下模具閉合的間隙部位擠出毛刺。預鍛如果出毛刺，在終鍛時就會壓入鍛件形成折疊。如果由于缺乏實際經驗，導致預鍛體積計算不足，在生產時預鍛稍微出毛刺，我們還可以通過微調設備封閉高度，保證在預鍛不出毛刺的前提下，在終鍛加墊片的方式解決問題。

如果鍛件的鐓粗比在預鍛時仍舊超過鐓粗不失穩的正常值，這時，我們預鍛上模就需要設計型腔，以保證鍛件的成形效果。

終鍛工位

終鍛模具的設計基本是按部就班，將鍛件圖按熱尺寸進行設計就可以了。在本案例中，需要關注的是上頂桿的尺寸，設計的原則就是要保證芯子的壁厚，如果壁厚不足，在連續生產時，芯子會變形，導致鍛件凹槽部位尺寸不合格。另外，根據實際情況，還可以不需要上頂桿，只要保證鍛件不粘模就可以了。

如果遇到鐓粗比大，預鍛件上模還有型腔這種情況，終鍛仍舊需要成形鍛件。此時，就需要考慮增加導向結構，原則仍舊是在上模芯子接觸預鍛件時，導向機構已經導向，這樣才能夠保證鍛件凹坑的尺寸以及錯差。圖4為最終鍛打出的鍛件實物。

圖4 終鍛件

結束語

本文重點介紹了軸類件在立式閉式鍛造時，鍛件成形部分超過鍛造鐓粗比時的成形工藝和模具設計要點。經過實際生產驗證，工藝、設計方案可行。通過此種成形方法，將單件鍛件的重量減少了1.23kg，不但降低了我公司自身成本，還為客戶減少了加工成本，實現了雙贏。