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(hù)實(shí)際設(shè)計(jì)的鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)為案例，針對(duì)中、小型環(huán)類(lèi)鍛件的自動(dòng)化鍛造工藝開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行介紹，分析了中、小型環(huán)類(lèi)鍛件精密模鍛的鍛造工藝，以及適用于自動(dòng)化生產(chǎn)的設(shè)備選型及模具設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了此種工藝的可行性，最終鍛造自動(dòng)線(xiàn)獲得客戶(hù)認(rèn)可。

鍛件工藝分析及工藝路徑的制定

齒環(huán)(中間軸)類(lèi)鍛件屬于工程機(jī)械類(lèi)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(shí)需轉(zhuǎn)移的金屬量較大，成形時(shí)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(lèi)鍛件

目前一些廠家的常規(guī)鍛造工藝路線(xiàn)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(xì)的工藝路線(xiàn)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(dá)到90%，且大大減小了鍛造成形時(shí)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(lèi)鍛件自動(dòng)化鍛造工藝的設(shè)計(jì)流程

采用逆向設(shè)計(jì)的方式，根據(jù)客戶(hù)提供的機(jī)加工零件圖，來(lái)設(shè)計(jì)鍛件圖，從而設(shè)計(jì)出制坯圖，并且可根據(jù)設(shè)計(jì)的圖紙及要求來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行選型，然后可根據(jù)設(shè)備的類(lèi)型來(lái)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的模架和模具，采用逆向的設(shè)計(jì)方式來(lái)一步步的制定齒環(huán)類(lèi)鍛件自動(dòng)化的鍛造工藝過(guò)程，設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示。

圖3 設(shè)計(jì)流程圖

自動(dòng)化鍛造工藝方案

此鍛件的鍛造線(xiàn)較長(zhǎng)，鍛件較重，綜合考慮人員安全、生產(chǎn)節(jié)拍及產(chǎn)量的問(wèn)題，因此采用自動(dòng)化鍛造線(xiàn)來(lái)代替常規(guī)的人工操作鍛造線(xiàn)。為適應(yīng)自動(dòng)化鍛造的要求，各單元設(shè)備必須具備自動(dòng)化生產(chǎn)能力，傳統(tǒng)的空氣錘制坯及液壓機(jī)自由鍛制坯將無(wú)法滿(mǎn)足要求。因此將根據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)工藝要求采用逆向設(shè)計(jì)思路選擇設(shè)備型號(hào)、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(duì)兩種方式進(jìn)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(duì)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?jī)?nèi)孔定位，內(nèi)孔會(huì)出現(xiàn)縱向毛刺，最大外徑處的圓角不易充滿(mǎn)，鍛件底面存在產(chǎn)生折疊的風(fēng)險(xiǎn)，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(dòng)良好，鍛件不會(huì)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(dòng)螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行鍛造成形(電動(dòng)螺旋壓力機(jī)打擊力可長(zhǎng)期超載1.6 倍)。終鍛毛坯選擇外徑定位方式。

輾環(huán)擴(kuò)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(jì)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(jī)(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(jì)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(guò)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(tái)設(shè)備做三工位制坯，這樣既節(jié)省了成本也節(jié)省了場(chǎng)地的空間，綜合考慮液壓機(jī)的噸位及工作臺(tái)面的大小，所以選取2000t 液壓機(jī)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(xiàn)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(jiàn)表1。

表1 工藝及設(shè)備選型

模具模架的設(shè)計(jì)

2000t 液壓機(jī)三工位模架模具的設(shè)計(jì)

液壓機(jī)三工位制坯模架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 三工位制坯模

三工位模具難點(diǎn)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(jī)械手的夾持。卸料彈簧可選用常規(guī)的矩形彈簧或者氮?dú)鈴椈?，矩形彈簧的好處是相?duì)來(lái)說(shuō)耐高溫，但提供的卸料力有限，所需的卸料行程較大。氮?dú)鈴椈煽商峁┹^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(jì)

終鍛模架模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 4000t 電動(dòng)模架模具結(jié)構(gòu)

終鍛設(shè)備采用的是4000t 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，此壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是打擊能量可控，設(shè)備自帶液壓三點(diǎn)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(diǎn)頂料為十字形狀的頂料板，頂料結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)，適用于不同直徑環(huán)件。

生產(chǎn)驗(yàn)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(kuò)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(jī)加工達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，圖11 為機(jī)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(kuò)孔后得到的毛坯

圖10 終鍛成形后得到的成品鍛件

圖11 機(jī)加工后產(chǎn)品

總結(jié)

本文針對(duì)環(huán)類(lèi)件，詳細(xì)的講述了武漢新威奇科技為客戶(hù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)類(lèi)鍛件自動(dòng)化鍛造過(guò)程的工藝開(kāi)發(fā)流程，即設(shè)計(jì)階段從產(chǎn)品圖紙開(kāi)始逆向工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備選型，實(shí)際生產(chǎn)通過(guò)了對(duì)此方案的驗(yàn)證，總結(jié)出了一種鍛造環(huán)類(lèi)件的自動(dòng)化鍛造工藝設(shè)計(jì)方法。對(duì)鍛造業(yè)同行以后此種類(lèi)型鍛件的自動(dòng)化生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)具有很大的參考價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

沈軍艦

工藝主管，工程師，主要從事鍛造工藝開(kāi)發(fā)、模具及模座設(shè)計(jì)以及鍛造自動(dòng)線(xiàn)工藝設(shè)計(jì)工作，主持開(kāi)發(fā)了多種類(lèi)型鍛件的自動(dòng)化鍛造工藝。參與熱模鍛自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)項(xiàng)目獲得湖北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，擁有專(zhuān)利10 余項(xiàng)。

——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第7期

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