運用仿真模擬提高鍛件鋼材利用率

文/胡偉，朱少青，倪金傳·萬向錢潮傳動軸有限公司

萬向錢潮傳動軸有限公司擁有5個專業工廠，1 個研究所，專業研發、制造各類傳動軸、轉向管柱、EPS 等汽車零部件。公司利用仿真模擬技術優化制坯工藝、模具增加阻力埂設計、立式封閉鍛工藝、買入鋼材長度定制等，重點通過新技術的手段深挖節材空間，不僅為我們今后的制坯鍛打工藝、模具設計提供了寶貴經驗和方向，同時能減少機加工切削余量，降低調質熱處理的能耗，對后道工序也能形成一定的降本效益。

利用仿真模擬技術優化制坯工藝

從2017 年開始我們嘗試利用制坯工藝來提高材料利用率，對于軸叉、滑動叉、花鍵軸類鍛件，開檔部位尺寸往往比柄部直徑大許多，造成柄部飛邊較多，所以我們采用立鍛制坯再臥鍛的方法，先將圓鋼局部鐓粗，預制成類似手榴彈的樣子，這樣可以大大減少柄部飛邊材料的浪費。之前我們的制坯尺寸依靠實物鍛打試出來，不能確認制坯尺寸是否合理，材料浪費不說，甚至嚴重的質量缺陷也時有發生。例如，ZCP-30A 花鍵軸叉因制坯大端長度不足導致叉部出現折疊裂紋，圖1 所示。

在2019 年引入DEFORM 仿真軟件后，我們通過多次模擬分析找到合適的制坯尺寸，并據此設計制坯模具，使頭部鐓粗部分材料既不至于過多過大造成浪費，又能保證叉部完好成形。在使用相同規格的鋼材條件下，我們對幾個制坯方案進行了模擬，見表1。

考慮到設備行程高度調節以及操作工擺料時位置會有一定的偏差，我們又對柄部長度120mm，頭部分別鐓至45mm 和55mm 的情況進行了模擬，決定采用鐓至50mm 的方案，保證質量的穩定性。制坯模具制作好后我們進行了試鍛，成形完好，從2019 年5月份改進后鍛打至今，沒有再出現之前的折疊現象，此問題的廢品率接近0%(圖2)。通過利用仿真技術優化制坯工藝，避免了用實物去試尺寸造成材料浪費，提高了我們制坯到鍛打的一次成功率。

在我們制坯時還經常會遇到這樣的情況，材料較細長，制坯的高度和直徑的比值一旦超過3:1，材料就很容易失穩彎曲，無法制坯得到我們想要的形狀。LZ-6 摩擦焊中間花鍵軸鍛件設計柄部直徑35mm，再由機加工切削到φ30mm，切削量大，材料浪費。我們以前曾經嘗試過用φ30mm 圓鋼制坯后鍛打，但沒有成功，按照常規的制坯方式，鐓粗部分長度132mm，高徑比4.4:1，遠超3:1 的極限值，制坯時材料必然會彎曲跑偏，影響終鍛成形(圖3)。之前我們很長時間卡在這個瓶頸環節，只好用φ35mm 的材料鍛打。

以往制坯總是想把整個頭部鐓出來，此次我們轉換思路，看是否可以嘗試只把頂部小部分材料鐓成一個餅狀，先把鐓粗部分高度縮小到極限范圍內，讓終鍛時不會失穩，并且有足夠的接觸面積，余下部分的鐓粗則交由終鍛來完成(圖4)。

經過模擬后感覺此方法可行，但要注意的是在終鍛時兩部分材料變形同時作用容易發展成凹口，最后成形時可能產生折疊(圖5)。

經過多次模擬分析后，我們找到一個最合適的尺寸，使材料的凹口剛好落在型腔的拐點上(圖6、7)，這樣就大大降低了產生折疊的風險。確定好制坯尺寸后，用φ30mm 圓鋼進行試鍛，并取得成功。

通過這次成功的創新嘗試，我們在不增加設備或工裝的情況下，解決了以往柄部細長難制坯的問題。

模具阻力埂的應用

我們在日常生產中發現飛邊較多的鍛件，總感覺材料浪費可惜，想減少下料重量以減少飛邊，但隨后會發現缺肉的現象變嚴重了，鍛打時報廢料變多了，達不到真正降本節材的目的。結合在日常鍛打中的經驗，我們決定在模具制作時型腔周圍增加一圈阻力埂，高度在1.5 ～2mm，寬度在10mm，這樣在鍛打時，阻力埂位置的飛邊厚度只有0.5 ～1mm，大大增加了材料外流時的阻力，同時阻力埂自身有一定的阻擋作用，能有效阻止材料逃出型腔（圖8）。

在實際應用中，增加了阻力埂以后鍛件缺肉的現象有明顯下降，我們對很多的產品下料重量做進一步的優化，提升鋼材的利用率。如A2 滑動叉，下料長度由原來的201mm 降為196mm，單件可節材0.13kg，鋼材利用率提高2.13%，增加阻力埂后鍛件廢品率為0.05%，相比之前0.27%的廢品率有大幅度下降。

立式封閉鍛工藝

對于一些花鍵軸、花鍵套類鍛件，以往我們采用開式鍛造，鍛打時材料受擠壓向四周鋪開沒有阻礙，所以常常飛邊比較大。針對這一情況，我們對模具改進設計，將上模凸出，下模型腔加深，使鋼材沉入型腔內，這樣當上模下壓時，鋼材相當于處在一個封閉的型腔內，無法向四周逃出。上下模外圈設計成鎖扣形式，保證上模沖頭能順利進入下模型腔而不產生磕碰，同時將上下模錯模量控制在0.3mm 以內（圖9）。采用這種封閉式模具鍛打，鍛件成形后少飛邊甚至無分邊，鋼材利用率高達97%～100%，既提升了鋼材利用率，又提高了質量，可謂一舉兩得。

鋼材長度定制采購

一些重型鍛件其下料的直徑和長度勢必比較大，鋼材兩端切割下來的料頭一般來說也會比較大，試想一個直徑80mm 長度100mm 的料頭，其重量就有4 公斤，而我們很多料頭比這個規格還大，而這些料頭只能當廢鐵賣掉，造成許多鋼材浪費非常可惜。怎樣能盡量減少這種浪費？目前我們采用的都是圓盤鋸切機切割下料，能實現較精準的切割，長度誤差在1mm 范圍內，所以我們想與鋼材廠方協商定制鋼材的長度。

我們整理出材料直徑在80mm 以上，批量較大的產品，以重型62 法蘭叉為例：原來買入的鋼材規格是φ95mm×7000mm，單件下料長度是198mm，每件之間鋸縫2.5mm，兩端必須各去掉30mm 料頭，7 米長的圓鋼能下34 件料，7000-(198+2.5)×34-30×2=123，也就是說有123mm 的材料被當作料頭浪費掉了，而如果鋼材長度能做到7080mm，則可以 下35 件 料，7080-(198+2.5)×35-30×2=2.5，即只有2.5mm 的材料被浪費，一根圓鋼可減少浪費6.7 公斤，平均每件減少0.197 公斤。這樣我們可以把差不多的產品整合起來，將他們的鋼材長度定制為7080mm。鋼材定制產品舉例見表2。

項目實施成果情況

利用仿真模擬技術進一步優化制坯工藝，可使鍛件材料利用率平均提高6%左右，特別是批量大又細長的鍛件如NDL 產品的BC 軸和CA 軸，下料規格降為φ38mm 也能順利制坯。從技術應用至今又推廣了46 種產品，節材230.2 噸，降本120.1 萬元，表3為2019 年部分制坯工藝優化產品。

表2 鋼材定制產品舉例

表3 2019 年部分制坯工藝優化產品

在模具型腔周圍增加阻力埂，以及將花鍵軸、花鍵套改為封閉鍛，其作用都是阻礙金屬外流，進而可減輕下料重量，提高鋼材利用率2%～3%。至2019 年10 月我們共完成197 項下料重量優化工作，節材430 噸，降本221.5 萬元。我們對10 種直徑超過80mm 且大批量使用的鋼材進行了長度定制，截止2019 年10 月已減少料頭浪費42.4 噸，節約材料成本22.3 萬元。

結束語

通過應用上述幾項新技術，加上我們一直在推行的料頭再利用，鍛件結構輕量設計等幾個綜合手段，公司共完成253 項下料優化工作，鍛件材料利用率綜合提升2%～10%，節省鋼材861.1 噸，直接降本446.3 萬元，同時由于加工余量的減少，重量的減輕，對后道工序如機加工、調質熱處理等也能形成一定的降本效益。