文/沈軍艦，沈鵬，陳志林，王朝清·武漢新威奇科技有限公司

本文以武漢新威奇科技有限公司為客戶實際設(shè)計的鍛造自動化生產(chǎn)線為案例，針對中、小型環(huán)類鍛件的自動化鍛造工藝開發(fā)流程進行介紹，分析了中、小型環(huán)類鍛件精密模鍛的鍛造工藝，以及適用于自動化生產(chǎn)的設(shè)備選型及模具設(shè)計，并驗證了此種工藝的可行性，最終鍛造自動線獲得客戶認可。

鍛件工藝分析及工藝路徑的制定

齒環(huán)(中間軸)類鍛件屬于工程機械類鍛件，鍛件材質(zhì)20CrMnTi，鍛件外圓直徑408mm，內(nèi)孔直徑250mm，鍛件高50mm，鍛件重量24.2kg。鍛件示意圖如圖1 所示。鍛件復(fù)雜系數(shù)CV=0.47，CA=45.7，CA 值較大，模鍛時需轉(zhuǎn)移的金屬量較大，成形時所需要的力和能量都較大，成形具有一定難度。

圖1 齒環(huán)類鍛件

目前一些廠家的常規(guī)鍛造工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→成形→沖孔，沖孔后的連皮質(zhì)量約7.5kg，材料利用率僅75%。為適應(yīng)節(jié)能減排需求，選用輾環(huán)制坯后鍛造工藝，詳細的工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→擠孔→沖孔→輾環(huán)→鍛造成形，工步圖如圖2 所示，此方案連皮質(zhì)量約2kg，材料利用率可達到90%，且大大減小了鍛造成形時鍛件的投影面積，從而減小鍛件的終鍛成形力。

圖2 常規(guī)鍛造工步圖

齒環(huán)類鍛件自動化鍛造工藝的設(shè)計流程

采用逆向設(shè)計的方式，根據(jù)客戶提供的機加工零件圖，來設(shè)計鍛件圖，從而設(shè)計出制坯圖，并且可根據(jù)設(shè)計的圖紙及要求來對設(shè)備進行選型，然后可根據(jù)設(shè)備的類型來設(shè)計出相應(yīng)的模架和模具，采用逆向的設(shè)計方式來一步步的制定齒環(huán)類鍛件自動化的鍛造工藝過程，設(shè)計流程圖如圖3 所示。

圖3 設(shè)計流程圖

自動化鍛造工藝方案

此鍛件的鍛造線較長，鍛件較重，綜合考慮人員安全、生產(chǎn)節(jié)拍及產(chǎn)量的問題，因此采用自動化鍛造線來代替常規(guī)的人工操作鍛造線。為適應(yīng)自動化鍛造的要求，各單元設(shè)備必須具備自動化生產(chǎn)能力，傳統(tǒng)的空氣錘制坯及液壓機自由鍛制坯將無法滿足要求。因此將根據(jù)自動化生產(chǎn)工藝要求采用逆向設(shè)計思路選擇設(shè)備型號、制定工藝參數(shù)。

終鍛工藝的制定及設(shè)備的選取

根據(jù)終鍛毛坯定位需求，有內(nèi)徑定位及外徑定位兩種方式，對兩種方式進行有限元模擬分析，選取合適的終鍛毛坯定位方式以及鍛造設(shè)備。

模擬參數(shù)選取，模具溫度250℃，坯料溫度950℃，外界環(huán)境溫度25℃，坯料和環(huán)境的對流熱交換系數(shù)0.02N/(sec·mm·C)，熱交換面為環(huán)境與坯料的外表面，坯料和模具的熱傳導(dǎo)系數(shù)0.2N/(sec·mm·C)，建模示意圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 內(nèi)徑定位

圖5 外徑定位

內(nèi)徑定位結(jié)果分析：靠內(nèi)孔定位，內(nèi)孔會出現(xiàn)縱向毛刺，最大外徑處的圓角不易充滿，鍛件底面存在產(chǎn)生折疊的風(fēng)險，鍛造成形力5500t，成形能量600kJ。

外徑定位結(jié)果分析：靠外孔定位，金屬流動良好，鍛件不會產(chǎn)生折疊，鍛造成形力6000t，成形能量520kJ。

綜上所述：根據(jù)成形力與能量要求選擇在J58K-4000 電動螺旋壓力機上進行鍛造成形(電動螺旋壓力機打擊力可長期超載1.6 倍)。終鍛毛坯選擇外徑定位方式。

輾環(huán)擴孔工藝制定及設(shè)備的選取

毛坯采用外徑定位后可設(shè)計出輾環(huán)后的制坯圖，根據(jù)輾環(huán)要求我們可以確定出輾環(huán)前的毛坯尺寸，即為沖孔后的制坯圖。輾環(huán)后的最大外圓尺寸小于408mm，因此選用D51K-500B 數(shù)控立式輾環(huán)機(最大外圓可輾到500mm)。

沖孔、擠孔和鐓粗工藝制定及設(shè)備的選取

同樣根據(jù)沖孔后的制坯圖，可以設(shè)計出擠孔制坯圖，再根據(jù)質(zhì)量守恒可算出鐓粗高度，鐓粗尺寸得以確定。經(jīng)過DEFORM 模擬軟件的模擬分析，算出鐓粗力450t，擠孔力1800t，沖孔力400t，可以選擇一臺設(shè)備做三工位制坯，這樣既節(jié)省了成本也節(jié)省了場地的空間，綜合考慮液壓機的噸位及工作臺面的大小，所以選取2000t 液壓機做三工位制坯。

加熱和下料工藝制定及設(shè)備的選取

根據(jù)中頻爐選型規(guī)則，可以按產(chǎn)品重量和產(chǎn)能選擇合適功率中頻爐。重量較大的棒料一般采用下料鋸床與中頻爐直接連線的方式，保證中頻爐供料的穩(wěn)定性，可根據(jù)棒料直徑及生產(chǎn)節(jié)拍選擇合適的中頻爐。最終工藝及設(shè)備選型見表1。

表1 工藝及設(shè)備選型

模具模架的設(shè)計

2000t 液壓機三工位模架模具的設(shè)計

液壓機三工位制坯模架結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6 所示。

圖6 三工位制坯模

三工位模具難點在沖孔工位的卸料，沖孔的卸料結(jié)構(gòu)采用上卸料，這樣使鍛件留在下模統(tǒng)一的位置，便于機械手的夾持。卸料彈簧可選用常規(guī)的矩形彈簧或者氮氣彈簧，矩形彈簧的好處是相對來說耐高溫，但提供的卸料力有限，所需的卸料行程較大。氮氣彈簧可提供較大的卸料力(單根可選擇彈力6t到10t的，且初始彈力6t)。

4000t 終鍛模架模具的設(shè)計

終鍛模架模具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7 所示。

圖7 4000t 電動模架模具結(jié)構(gòu)

終鍛設(shè)備采用的是4000t 電動螺旋壓力機，此壓力機的優(yōu)點是打擊能量可控，設(shè)備自帶液壓三點頂料系統(tǒng)，鍛件的頂料采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，設(shè)備自帶的三點頂料為十字形狀的頂料板，頂料結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強，適用于不同直徑環(huán)件。

生產(chǎn)驗證

圖8 為輾環(huán)前三工位制坯得到的環(huán)形件毛坯，圖9 為輾環(huán)擴孔后得到的毛坯，圖10 為終鍛成形后得到的成品鍛件，鍛件成形良好，未出現(xiàn)折疊。量產(chǎn)后，鍛件后續(xù)機加工達到預(yù)期目標(biāo)，圖11 為機加工后產(chǎn)品。

圖8 輾環(huán)前三工位制坯得到的環(huán)形件毛坯

圖9 輾環(huán)擴孔后得到的毛坯

圖10 終鍛成形后得到的成品鍛件

圖11 機加工后產(chǎn)品

總結(jié)

本文針對環(huán)類件，詳細的講述了武漢新威奇科技為客戶設(shè)計開發(fā)環(huán)類鍛件自動化鍛造過程的工藝開發(fā)流程，即設(shè)計階段從產(chǎn)品圖紙開始逆向工藝設(shè)計及設(shè)備選型，實際生產(chǎn)通過了對此方案的驗證，總結(jié)出了一種鍛造環(huán)類件的自動化鍛造工藝設(shè)計方法。對鍛造業(yè)同行以后此種類型鍛件的自動化生產(chǎn)方案設(shè)計具有很大的參考價值。

作者簡介

沈軍艦

工藝主管，工程師，主要從事鍛造工藝開發(fā)、模具及模座設(shè)計以及鍛造自動線工藝設(shè)計工作，主持開發(fā)了多種類型鍛件的自動化鍛造工藝。參與熱模鍛自動化生產(chǎn)線項目獲得湖北省科技進步一等獎，擁有專利10 余項。

——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第7期

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