中心管的胎模鍛新工藝研究與應用

文/王金鵬，李大喬·寶雞石油機械有限責任公司熱工分公司

針對大變徑軸類鍛件自由鍛時，材料浪費嚴重的問題，設計了用于中心管的閉式胎模并制定了相關工藝參數，使用有限元模擬軟件對金屬充填過程進行了仿真。針對產品桿部不易充填飽滿的情況，采用在模具兩端鐓擠的方法，通過制坯+一次胎模鍛成形的方法，使用兩火次成功鍛造出了符合要求的中心管產品。

中心管屬于大變徑軸類鍛件，我公司一直采用自由鍛拔長各臺階成形，但由于產品端頭和大臺外徑尺寸差異較大，拔長時需要多處添加余塊，造成材料的巨大浪費。對此類大變徑軸類鍛件，有使用模具內局部成形大臺——自由鍛拔長桿部的方法，但產品表面質量欠佳，而且，對截面相差較大的產品，若使用原材料較細，則鐓粗成形大臺時容易失穩引起折疊缺陷；若使用原材料較粗，在后續拔長桿部時，常常導致桿部與大臺不同軸，而造成產品報廢。為了解決中心管在生產中存在的材料浪費、截面不同軸等問題，我們對中心管的胎模鍛工藝展開了研究，以實現一次胎模鍛成形。

工藝設計

工藝成形分析

要實現胎模內成形中心管外形，便于金屬填充及方便脫模，應盡可能使用錐度覆蓋零件輪廓上的臺階。據此，可初步設計出毛坯的鍛件圖，如圖1 所示（虛線表示零件輪廓）。由于產品相鄰截面積比達到7，材料分配不均勻性極大，故在終鍛前應有制坯工序。

模具方案確定

從金屬充填難易程度的角度考慮，若分模面設置在通過產品軸線的平面，則承擊面較大，需要的設備成形力較大；若分模面設置在大臺端面，則有助于減小鍛造成形力，但由于產品桿部的高徑比達3.2，受摩擦力影響，模具下端的坯料不易變形。從模具制造成本及高效生產方面考慮，分模面設置在大臺端面時，模具整體為軸對稱零件，生產制造簡單，且易于實現高效生產。綜合以上兩方面，選用垂直分模，模具圖如圖2 所示。

模具由兩部分組成，下模成形大臺及桿部；上模成形端頭，且上模外徑尺寸與下模大臺部位相配合。鍛造時，上模夾持端頭，在下模內下壓，大臺部位的材料發生局部鐓粗，端頭和桿部的材料向模腔充填，金屬在封閉式胎模內成形，模具自身的導向保證了相鄰截面的軸線同軸。鍛造壓實后直接脫模，省去了切邊工序。

制坯工藝參數設計

終鍛工序完成大臺的成形及端頭、桿部的充填任務，坯料制坯主要實現材料在各部位的初次分配。為保證端頭及桿部的錐度區域完整充填，將坯料制成多臺階狀。由于終鍛工序大臺的變形量較大，為避免大臺兩端面出現折疊缺陷，應使端頭及桿部的坯料分配準確，且各部位的坯料不宜過高。同時，外徑尺寸不宜大于相對應的模具內腔尺寸，否則，由于坯料與模具的摩擦力作用將導致坯料無法落實到位。根據鍛件圖計算出坯料的重量約800kg，為避免終鍛時大臺處高徑比太大而失穩，原材料選用φ350mm 圓鋼，制坯尺寸如圖3 所示。

有限元模擬

為明確成形過程，確定大臺及桿部成形規律，我們使用相關軟件做有限元分析，過程模擬的典型步驟如圖4 所示。為模擬實際自由鍛開坯過程中桿部的不光滑表面，我們把桿部實體做成八角形，以便直觀反映桿部充填情況。

從圖4 可以看出，坯料充填順序是先大臺，再桿部，這與實踐經驗相一致。從充填過程來看，在第346 步時，大臺及根部完全充滿；在第384 步時，桿部完全充滿。從所需成形力變化情況來看，在第306步以前，壓力平緩增加，且大臺成鼓形，外圓面已接觸模具型腔；在第306 步以后，壓力急劇增加，到第346 步時，壓力已接近5000t，第384 步時，需要的壓力為6400t，已遠遠超過我公司50MN 壓機的能力范圍。從模具受力情況來看，在第346 步以后，模具所受的壓力急劇增加。在實際鍛造生產中，模具受力情況復雜，工作環境惡劣，終鍛力的急劇升高不利于提高模具和機器的使用壽命。綜合壓力變化對產品成形及模具壽命的影響，要實現中心管的一次模鍛，還需改變模具結構。

模具改進

為保證產品桿部完整充填，我們借鑒了浮動模成形原理，在大臺成形結束后，把它及端頭視為剛端，在下模端部添加下墊進一步鍛造壓實，即采用兩端鐓擠的方式，可完全充滿。充填結束后，端頭部位添加漏盤，上砧輕壓，即可順勢取出坯料，這在成形方法及操作步驟上都比較合理。為此，我們對模具結構進行了優化，如圖5 所示。在模具下端增加50mm 長的直臺，用于增加下墊壓實桿部。為方便坯料脫模，模體中軸向均采用1.5°的錐度，為便于坯料向下端桿部填充，在大臺根部設7°的錐度；上蓋依產品外形設4.8°的錐度。由于模具內腔對上模起導向作用，兩者之間應有一定間隙。間隙過大，在金屬流動時，此處將產生縱向毛刺，加速模具磨損和造成脫模困難，間隙過小，因溫度的影響和模具變形，將使上蓋和模具之間運動困難。結合以往經驗，此處間隙選為2mm。

生產試驗

模具制造完成后，我們按圖6 的生產流程進行了產品試制。生產火次為兩火，生產完成的產品如圖7 所示。經檢測，新工藝生產的中心管產品，模具充填效果良好，錐度區域均勻，產品表面光滑，各部位尺寸滿足要求，加工余量大幅度下降。不足之處是：由于坯料在模具內整體成形，氧化皮不易清理，在模具內成形完成后，產品桿部圓周方向粘連氧化皮較多，這對產品表面質量有一定影響。雖經多次嘗試，去除氧化皮的效果并不理想，還待后期進一步解決。

結束語

經過研究與實踐，新工藝生產的中心管產品，尺寸及各項力學性能均符合要求。產品的表面質量得到大幅度提升，下料重量大幅度降低，并有效地提高了材料利用率，降低了機加工余量。目前已得到批量生產。新工藝的應用表明用制坯+一次終鍛的方法生產中心管可行，對類似形狀尺寸的其他產品均可推廣使用。