3500t 高速鍛造自動化生產線模具裂口失效探究

3500t 高速鍛造自動化生產線是我公司2005 年從德國米勒萬家頓公司引進的世界一流的鍛造自動化生產線(圖1)，設計最高生產節拍25件／分鐘，上料、加熱、鍛造和余溫熱處理均是自動化控制。采取閉式鍛造工藝，分5 個工步實現鍛件成形：預鐓粗→鐓粗→預鍛→終鍛→沖孔。如圖2 所示，模具冷卻方式為自動噴霧，介質是水與脫模劑為一定比例的混合液。

實際生產中，陸續發現有些鍛件品種模具壽命未達到正常值，主要失效形式為模具裂口(圖3)。平均約1500 件出現裂口，約2500 件模具報廢，嚴重時約300 件出現裂口，約1200 件模具報廢。

失效原因查找

第一步，調取模具鋼材的進貨理化檢驗記錄和熱處理理化檢驗記錄，并且對失效模具打硬度核驗，均未發現明顯異常情況。

第二步，經過對現場失效模具裂口形狀、大小和深度等的仔細觀察，發現裂口高度疑似經過高溫高壓氣體的切割逐漸形成。

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第三步，借助CAD 簡單將終鍛上下模具及預鍛熱毛坯裝配后(圖4)，發現此處雖然有約1.9mm 高度的密閉空間，但有排氣孔，設計上沒有問題，但實際生產中此處模具裂口明顯，需借助Deform 模擬軟件再仔細分析。

依照試驗性改進成功的經驗，我們又對其他有問題的模具進行了一一改進，目的是使新的熱鍛毛坯進入問題工步時，與模具左右最近的兩個排氣孔之間不會形成獨立密閉空間，改進方式如圖10、圖11 和圖12 所示。

分別對失效模具一、二、三、四進行改進，效果非常好，模具壽命平均達到1.5 萬件，且模具再未出現裂口失效現象。節約模具成本的經濟效益明顯(表1)，并且確保了鍛件的外觀質量，避免了后續返修問題鍛件時人力和物力的浪費。

根據以上分析結果，制定改進措施，首先試驗性地對失效模具一的上一道預鍛模具進行修改，目的是使新的熱預鍛毛坯放入終鍛型腔鍛打時，終鍛上模輪輻面首先接觸熱預鍛毛坯輪輻，左右最近的兩個排氣孔之間不形成獨立密閉空間，鍛造時產生的大量高溫高壓氣體可以從排氣孔或上下頂桿與模具的間隙、分體模具之間的間隙順利及時地排出去，如圖9 所示。對失效模具一的試驗性改進方案在現實驗證中效果非常成功，模具壽命達到1.5 萬件，且再未出現模具裂口失效現象。

2.運用問題情境教學，提升學生的自主學習能力。教師可充分抓住教材中簡單易懂的概念和定義，直觀、具體的圖片、資料及STSE問題等設置問題情境，調動學生熱情參與，變“要我學”為“我要學”，使學生擺脫對教師的依賴。如教學“原子的構成”時，教師可設置問題讓學生自主學習：（1）原子由幾部分構成？分別是什么？（2）原子核由哪些粒子構成？這些粒子有哪些相同點和不同點？（3）原子核居于原子中心，它的體積如何？占據很大空間嗎？（4）原子核和核外電子都帶電，那么整個原子也帶電嗎？為什么？

改進措施

第五步，綜合以上信息詳細分析如下，由于3500t 高速鍛造自動化生產線的生產特性，滑塊到上死點的一瞬間，噴淋系統將快速伸入到5 個工步的上下模具之間并對上下模具噴涂大量脫模劑與水的混合液約1 秒鐘。大量冷卻液(脫模劑與水的混合液)的及時噴涂，既可以保證熱鍛件脫模及頂出的及時穩定，也可以保證模具的工作溫度穩定在一定的低溫范圍，以防止模具因短時間內溫度急劇升高而提早發生嚴重磨損或打塌變形而報廢。總之，大量冷卻液的及時噴涂是保證高速自動化鍛造順利運行的重要手段，不可或缺。鍛造中每個工步的熱毛坯(溫度約1150 ～1200℃)與模具(工作時溫度約200 ～300℃)高速接觸，可瞬間將冷卻液轉化為高溫高壓氣體，特別是在獨立密閉空間內的冷卻液轉化的高溫高壓氣體無法沿排氣孔順利排出，最終高溫高壓氣體將作用于熱模具，對其造成切割破壞。

第四步，通過Deform 模擬并仔細觀察，當終鍛成形模擬運行至16 步時，終鍛上模輪輻兩側圓弧已與熱預鍛毛坯率先接觸，并在左右最近的兩個排氣孔之間形成獨立密閉空間，如圖5 所示。

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改進效果

通過對另外幾個異常裂口模具的Deform 模擬成形分析發現，在鍛造的過程中也存在熱毛坯與上下模具左右最近的兩個排氣孔之間形成獨立密閉空間的現象，如圖6、圖7 和圖8 所示。

改進總結

⑴為了維持3500t 高速鍛造自動化生產線的穩定運行，會噴灑大量的霧狀冷卻液，但當噴霧裝置有故障時，例如氣閥故障(上下模噴霧氣閥無氣或下模噴霧無氣)，水閥故障(上模噴霧水閥不噴，下模噴霧水閥長噴，或上下都長噴)，脫模劑閥故障(上模噴霧脫模劑閥不噴，下模噴霧脫模劑閥長噴，或上下都長噴等)，都會造成水或水與脫模劑的混合物在熱坯料低凹處殘留的更多，并且有時上模也得不到及時潤滑冷卻，溫度升高很快，改進前的模具更容易被高溫高壓氣體切割破壞。

⑵高溫高壓氣體作用于熱模具，對其造成切割破壞，那么為什么沒有切割熱鍛件，只切割了模具，后來總結，熱鍛件(溫度約1150 ～1200℃)，具有極高的塑性，模具溫度(工作時溫度約200 ～300℃)不允許其有塑性。高溫高壓氣體同時作用于熱鍛件和熱模具，因熱鍛件具有極高的塑性，切割痕跡會自我修復，反觀模具因其必須保證相對低溫狀態來確保其硬度，不允許其溫度急劇升高而有一定塑性，高溫高壓氣體切割模具的小裂口不能自我修復，隨著鍛造成形工作的繼續，極微小裂口會慢慢延伸擴大，直至模具報廢。

⑶實踐證明本次改進是成功的，且效果非常明顯，可以說是“藥到病除”，后續經過長時間的觀察驗證，3500t 高速鍛造自動化生產線再未出現此類模具裂口失效問題，此次改進也得到了集團公司材料理化中心熱成形組鍛造工藝室相關設計人員的認可，并下發更改圖紙。

結束語

此次3500 噸高速鍛造自動化生產線模具裂口失效問題的成功解決，為3500t 高速鍛造自動化生產線模具設計提供了細節注意點，改進后鍛件外觀質量得到提高，也大大節約了模具費用。