40CrNiMo高套筒鍛造工藝的研究

文／于志亮·天津市志亮金屬鍛造有限公司

40CrNiMo高套筒鍛造工藝的研究

文／于志亮·天津市志亮金屬鍛造有限公司

自由鍛企業(yè)經(jīng)常要生產(chǎn)一些批量較小，力學(xué)性能要求高，同時(shí)又不允許采用無(wú)縫鋼管而必須鍛造成形的高套筒形鍛件，這類鍛件的幾何形狀特點(diǎn)是高徑比較大，同時(shí)壁厚又較薄，材質(zhì)多采用優(yōu)質(zhì)合金鋼如40CrNiMo，鍛造成形的難度比較大，一直是自由鍛生產(chǎn)中的難題。

傳統(tǒng)工藝

傳統(tǒng)的自由鍛工藝為了保證里孔偏斜小，同時(shí)又便于把沖頭從坯料里退出，只能將坯料鐓粗至D≈H時(shí)沖孔(圖1），沖孔時(shí)采用雙面沖孔工藝(圖2），正面用沖頭沖至高度的2/3左右時(shí)將沖頭退出，將坯料翻轉(zhuǎn)后再?gòu)谋澈鬀_透，這樣沖出的孔比較正，但同時(shí)也產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題，那就是后序的拔長(zhǎng)很困難，而且很容易出現(xiàn)偏差(圖3）。拔長(zhǎng)時(shí)由于沖頭是涼的而坯料是熱的，同時(shí)變形量很大，因此在大力錘擊時(shí)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)極容易造成里孔裂紋，這是造成廢品的重要原因。即使由于勤換沖頭沒(méi)有鍛裂，但成形也很困難，最容易發(fā)生的拔長(zhǎng)變形問(wèn)題是高度方向嚴(yán)重不齊，而進(jìn)行校正后把高度又打回了很多，這時(shí)就需要再次拔長(zhǎng)，這樣反復(fù)拔長(zhǎng)、校正，生產(chǎn)效率很低。

圖2 雙面沖孔常規(guī)工藝

圖3 拔長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生偏差

新型工藝

為了提高生產(chǎn)效率及保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須減少拔長(zhǎng)程度，而減少拔長(zhǎng)程度就必須在坯料高度較高時(shí)將坯料里孔沖透，這樣不僅能有效地避免里孔裂紋的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也可以提高生產(chǎn)效率。但此過(guò)程中必須解決好一個(gè)問(wèn)題，那就是孔必須沖正并沖通且能順利拔出沖頭才行，否則如果將孔沖歪或沖偏，是很難再糾正回來(lái)的，這樣會(huì)造成較高的廢品率。

我公司為了解決這類鍛件的鍛造難題，對(duì)傳統(tǒng)的鍛造工藝進(jìn)行了多次改進(jìn)，現(xiàn)采用高位雙面沖孔＋馬杠擴(kuò)孔的新型鍛造工藝來(lái)生產(chǎn)這類鍛件。以C型連接套為例，此零件材質(zhì)為40CrNiMo，有保二級(jí)探傷合格的要求，零件尺寸為φ150mm×φ120mm×270mm，原鍛件尺寸設(shè)計(jì)為φ(165±4）mm×φ(90±5）mm×(290±3）mm，下料重量為39kg，下料規(guī)格為φ180mm×195mm，火次為3～4火，使用設(shè)備為560kg或750kg空氣錘，班產(chǎn)量大約為25件，廢品率為10%左右。我公司采用新型鍛造工藝后鍛件尺寸設(shè)計(jì)為φ(162±3）mm×φ(105±4）mm×(285±3）mm，下料重量為34kg，下料規(guī)格為φ130mm×326mm，火次為2火，使用設(shè)備為560kg或750kg空氣錘，班產(chǎn)量大約為50件，廢品率在1%以下。下面就說(shuō)明一下此新型鍛造工藝的基本過(guò)程。

我們現(xiàn)行的工藝是將坯料略為鐓粗，找正即可。沖孔時(shí)坯料高度掌握在310～315mm，采用我公司創(chuàng)造的新型雙面沖孔法(圖4）進(jìn)行沖孔。首先，使用1＃頭沖頭(圖5a）沖孔到40～50mm深(這個(gè)沖孔深度很容易把沖頭拔出），然后換成2＃頭沖頭(圖5b）將孔繼續(xù)沖深到120～130mm，正面沖完后，再在反面沖出120～130mm深的深孔。常規(guī)的沖頭底部和頂部都是平的，而我們將兩個(gè)頭沖頭的頂部改成球面，這樣頂部就如同手工大錘的錘面，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)檫@樣能有效地解決孔容易沖歪或沖偏問(wèn)題的發(fā)生。這時(shí)再把二沖頭(圖6）打入坯料中，將其頂部打到與坯料表面齊平為止，此時(shí)芯料已被頂活，然后馬上翻轉(zhuǎn)毛坯，再用另一個(gè)二沖頭把第一個(gè)二沖頭連同芯料一起頂出，頂出后便實(shí)現(xiàn)了孔徑的貫通，然后馬上翻轉(zhuǎn)毛坯，再用一個(gè)普通沖頭把第二個(gè)二沖頭頂出即可。接下來(lái)使用擴(kuò)孔沖頭擴(kuò)大內(nèi)孔，以保證內(nèi)孔直徑大于60mm。在擴(kuò)內(nèi)孔時(shí)，不用考慮坯料的外徑是多少，但必須保證其高度不小于285mm，此時(shí)壁厚可能有一些偏，不過(guò)只要偏差不大于10mm，在后序用馬杠擴(kuò)孔還是可以校正過(guò)來(lái)的，但是如果采用沖頭擴(kuò)孔，那就沒(méi)有辦法糾正了。至此第一火完成，然后入爐加熱準(zhǔn)備第二火鍛造。第二火加熱后將毛坯放在馬杠上，用φ60mm的芯軸擴(kuò)孔(圖7），將內(nèi)孔直徑擴(kuò)到大于80mm，停錘找正，稍鐓即可，高度方向的尺寸必須保證不得低于285mm，然后換φ80mm的芯軸繼續(xù)擴(kuò)孔至要求尺寸，最后修整各部尺寸。

圖4 新型雙面沖孔法沖孔過(guò)程示意圖

操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)

圖5 頭沖頭

圖6 二沖頭

圖7 馬杠擴(kuò)孔

⑴由于是在高徑比很大的坯料上沖孔，故而孔很容易沖歪或沖偏，為了克服這一問(wèn)題，除去對(duì)操作工人的技術(shù)要求較高、動(dòng)作要快之外，對(duì)沖頭本身也有一定的要求，沖頭需由經(jīng)驗(yàn)豐富的鍛工精心打制，并需經(jīng)淬火處理，硬度要求在38～45HRC，材質(zhì)采用5CrMnMo或5CrNiMo。

這里需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，正確使用沖頭很關(guān)鍵，如在使用頭沖頭沖兩面盲孔時(shí)，在沖孔前須將沖頭烤至200℃左右，且沖孔時(shí)每打一錘必須要放入煤屑，這樣方便拔出沖頭與找正，同時(shí)也更加安全，正面沖到要求的尺寸規(guī)格以后立即翻轉(zhuǎn)坯料，再進(jìn)行反面沖孔，反面沖孔完成后，頭沖工作便告完成，此時(shí)應(yīng)立即將頭沖頭放入水槽中冷卻。同時(shí)要注意的是，為保證頭沖頭的完好以便反復(fù)使用，頭沖頭絕不可用于別處。同理，二沖頭也要做到專用才好。

對(duì)于二沖頭來(lái)說(shuō)，材質(zhì)的要求并不是很嚴(yán)格，常規(guī)沖頭材料選用A7、T8、T10、65Mn、45鋼均可，也不需要經(jīng)過(guò)淬火處理，由鍛工手工淬硬一下即可，但其尺寸要求嚴(yán)格，否則使用起來(lái)不方便，而且還會(huì)影響進(jìn)度及質(zhì)量。對(duì)于擴(kuò)孔沖頭基本就沒(méi)有什么要求了，由鍛工自己改制即可。

⑵用馬杠擴(kuò)孔時(shí)，第一道芯軸用φ60mm圓鋼需要經(jīng)過(guò)鍛造才能使用，材質(zhì)采用35CrMo，需做調(diào)質(zhì)處理，硬度在25～30HRC，需要注意的是，使用前必須將其烤至150℃左右，這樣既安全也會(huì)延長(zhǎng)芯軸的使用壽命。第二道芯軸用φ80mm圓鋼則無(wú)特別的要求，材質(zhì)采用40Cr或45鋼均可。

于志亮，董事長(zhǎng)，高級(jí)技師，主要從事自由鍛工藝及新材料應(yīng)用等方面的研究，1984年全國(guó)技術(shù)考試名列鍛工前十名，2011年獲得天津鍛造行業(yè)優(yōu)秀工藝獎(jiǎng)，2013年獲得天津奉獻(xiàn)鍛造行業(yè)優(yōu)秀個(gè)人獎(jiǎng)。