某導管沖頭斷裂原因分析及改進

文／黃貴林，張文博，徐學民·中車資陽機車有限公司鍛造事業部

某導管自生產以來，上模沖頭頻繁出現非正常斷裂現象，平均斷裂前的生產壽命為200件，嚴重制約了產品的正常生產，增加了模具的修模成本，直接影響產品的交付能力與贏利能力。本文分析了某導管上模沖頭非正常頻繁斷裂的原因，通過優化模鍛工藝，增加預鍛工步，控制金屬成形時的流動，避免鍛造時產生偏心，使產品在鍛造成形過程中上中下三部分處于同軸的狀態，達到了解決上模沖頭非正常斷裂的目的。

鍛造特點及問題描述

鍛造特點

某導管是我部主要的汽車產品，年產量約15000件，鍛件圖見圖1。某導管的產品特點大致為上中下三部分：上部分為空心圓柱套，盲孔深度60mm，壁厚11mm；中間部分為φ182mm×21mm 的圓柱形法蘭盤；下部分為圓錐狀，最大高度222.5mm。產品鍛造時最大橫截面積24040mm2，最小橫截面積3473mm2，最大橫截面面積與最小橫截面面積之比為6.92，鍛件復雜系數S ＝0.25，依據鍛件形狀復雜系數分類屬于較復雜類別。

某導管產品在5 噸模鍛錘生產，鍛件質量11.5kg，下料質量13.5kg，下料尺寸為φ90mm×270mm。模鍛時經過滾擠拔長、終鍛、切邊，一火次成形。

問題描述

某導管生產以來，上模沖頭頻繁地出現非正常斷裂現象，最小生產數量在30 件就出現斷裂，最大生產數量在400 件出現斷裂現象。期間一共斷裂8 次，平均斷裂前的生產數量為200 件，嚴重制約了產品的正常生產，增加了模具的修模成本，直接影響產品的交付能力與盈利能力，無論是模具制造維修、生產準備、訂單兌現、成本等方面均不能接受。

斷裂原因分析

圖1 某導管鍛件圖

經過對沖頭斷裂后的斷口、產品成形情況、飛邊情況進行觀察，以及對鍛造成形過程的跟蹤，發現上模沖頭頻繁地出現非正常斷裂現象的共性為：⑴沖頭斷裂全部是從根部斷裂(圖2)；⑵斷裂時產品成形情況不理想，一邊飛邊大，一邊飛邊小甚至沒有飛邊，在飛邊較小的一側產品有未充滿的現象。再擴大范圍觀察，發現大部分飛邊均有嚴重偏心的現象。

圖2 沖頭斷裂圖

通過對產品出現的現象分析，基本認定上模沖頭頻繁地出現非正常斷裂的原因為：初始坯料經過拔長制坯后坯料長度在320mm 以上，這時將坯料放入下模進行中間鐓粗，下模深度為178mm，露出下模長度大于140mm。拔長時，圖3 中小頭的錐度部分與沒有變形的圓柱部分不會完全同軸且有彎曲產生，放入下模后坯料不會正好垂直于鍛模分模面。在中間鐓粗的變形過程中，產品在分模面以上的金屬會產生偏心現象(圖4)，偏心的金屬首先填充阻力較小的型腔，當阻力較小的型腔基本成形后，金屬受到鍛模橋部阻力的作用，大量的金屬逐漸向偏心的另一側流動，流動的金屬對上模沖頭產生巨大的水平推力(圖5)。在批量生產過程中，上模沖頭在水平推力反復、循環作用下最終造成周期性的斷裂。

確定改進工藝方案

確定工藝方案

通過對上模沖頭頻繁地出現非正常斷裂的原因分析得出，鍛造時金屬偏心引起的水平推力是沖頭斷裂的主要原因。要解決沖頭斷裂就得消除水平推力，要消除水平推力就得解決產品鍛造時上中下三部分金屬的偏心問題，即保證該導管鍛造時上中下三部分金屬始終處于同軸狀態。

為了保證導管鍛造時上中下三部分金屬始終處于同軸狀態，在不增加鍛造火次和模具投入的前提下，增加預鍛工步是最便捷的措施。即將模鍛時滾擠拔長、終鍛、切邊優化為滾擠拔長、預鍛、終鍛、切邊。

鍛模改進

鍛模改進的內容主要是增加預鍛型腔，保證產品在經過滾擠拔長后，將坯料置于預鍛型腔中進行一次中間鐓粗，得到上中下三部分金屬處于同軸狀態的預鍛坯料。

圖3 某導管拔長制坯圖

圖4 偏心示意圖

圖5 偏心金屬流動示意圖

圖6 預鍛型腔

圖7 鍛模布局

經過計算得出預鍛后的坯料尺寸，經過預鍛坯料尺寸得出預鍛型腔圖(圖6)，結合導管原來的鍛模結構，優化后得到鍛模布局圖(圖7)。

生產試制與效果分析

生產試制

按上述方案制作完導管鍛模，按照滾擠拔長、預鍛、終鍛、切邊的工藝進行生產，鍛造過程中勤吹氧化皮和撒鋸末，模鍛后的飛邊均勻，沒有出現金屬偏心的現象，得到的導管見圖8。批量生產后，產品飛邊全部均勻(圖9)，鍛造過程觀察也沒有出現金屬偏心的現象。工藝改進后，累計生產已過萬件，上模沖頭再沒有發生過斷裂。

效果分析

⑴有形效果分析。

圖8 導管實物圖

圖9 導管飛邊均勻性一致

某導管鍛件工藝改進后，上模沖頭再沒有發生過斷裂。與之前平均壽命200 件相比，按照年均產量15000 件計算，每年減少修模75 次，為企業節約了數十萬元的修模成本。

⑵無形效果分析。

導管鍛件工藝改進后，上模沖頭再沒有發生過斷裂，保證了生產的正常進行，保證了訂單的兌現，占領了市場份額，確保了產品的贏利能力。

結論

⑴經生產驗證，導管沖頭斷裂原因分析正確、透徹，鍛造工藝方案改進可靠、操作性強，并按照改進后的鍛造工藝投入了正式生產。

⑵隨著某導管鍛造工藝改進的實施，上模沖頭非正常斷裂的現象得到了徹底的根絕，降低了模具的修理費用，生產得以正常進行，保證了訂單的兌現，確保了產品的贏利能力，達到了降本增效的目的。