長軸類鍛件的工藝節材

文/陸長青，田興平，王悅凱·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

長軸類鍛件的工藝節材

文/陸長青，田興平，王悅凱·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

大多鍛件的材料成本占到總成本的50%左右，提高鍛件坯料的成形利用率一直是鍛造成形工藝研究的重要內容，是降低工藝成本最為有效的途徑之一，也是工藝優化和改進的重要目標。大部分長軸類鍛件需要通過制坯工步改變原毛坯的形狀，沿軸向合理分配坯料，以適應鍛件橫截面面積變化和形狀變化的要求，使模鍛時金屬能較好地充滿模膛，避免產生成形缺陷，提高材料利用率，降低成形力，提高模具壽命等。工藝方案、材料規格的確定和中間坯的設計對長軸類鍛件的工藝節材尤為重要。

計算毛坯法則的逆向思考

中間毛坯是依計算毛坯法則來設計的。計算毛坯是根據長軸類鍛件在模鍛模膛變形時金屬主要沿高度和寬度方向流動且沿長度方向流動很少的變形特點，基于軸向變形很小的平面變形假設進行計算，并對相鄰近距離的橫截面突變處進行修正，所得的具有圓形截面的毛坯，其長度與鍛件相等，橫截面積等于相應的鍛件橫截面積與飛邊橫截面積之和。計算毛坯法則的基礎為假定軸向變形很小，橫截面的變形被認為近似平面變形，在實際應用中鍛件通常能較好成形，也會形成相對較為均勻的飛邊。既然計算毛坯法則的基礎是依長軸類鍛件變形特點而假定了一種條件，假定軸向變形很小，那么我們進行逆向思考，有沒有軸向變形較大的情況？什么情況下會形成較大的軸向變形？若形成較大的軸向變形時鍛件是否能較好成形？這種較大的軸向變形能否被加以利用，以優化中間毛坯和成形工藝，來降低鍛件的制造成本呢？

常規工藝示例

圖1為連接桿鍛件和中間坯。原工藝為自由鍛制坯，在考慮各種工藝因素的情況下，如桿部火耗、欠壓、彎曲、終鍛定位偏差、模具磨損和桿部長約260mm的12號凸字標識成形等，中間坯桿部設計為φ85mm。圖2為該中間毛坯在13t模鍛錘鍛打成形后的飛邊，飛邊整體外形較為均勻，但對易于成形的桿部來說，該部位飛邊明顯偏大，材料利用率偏低，可通過提高桿部的坯料成形利用率來提高整體坯料的成形利用率。

圖1 鍛件和中間毛坯圖

圖2 鍛件飛邊

工藝改進分析

桿體成形定性分析

為了降低能耗和提高效率，中間坯制坯由φ150mm的圓棒料整體加熱的自由鍛方式，改為細棒料兩端頭局部加熱的平鍛機制坯方式。按毛坯計算法則，加入飛邊、火耗、模具磨損量后，選用國標料為φ85mm，仍與原工藝中間坯直徑相同，為了提高鍛件桿部坯料的成形利用率，需采用比φ85mm更小的料，如選用國標料為φ80mm或φ75mm。如以桿部為φ80mm的中間毛坯成形桿部為φ80mm的鍛件且鍛件桿部形成適當的飛邊，無充填缺陷，桿部長260mm的12號凸字標識在形成適當飛邊的阻力下能清晰成形。那么桿部形成飛邊的金屬從哪里來？前面提到了計算毛坯法則的逆向思考，如果軸向變形能提供桿部形成飛邊的金屬，那么采用φ80mm規格棒料的平鍛制坯工藝或綜合優化的其他制坯方式如輥鍛或楔橫軋制坯等就都會成為可能。為此對工藝進行了定性分析，通過對不同成形部位變形的先后和變形的程度、坯料富足區料的流動趨勢、坯料桿部成形過程中存在回歸校正等的定性分析，認為在原中間坯的基礎上直接將中間坯桿部直徑由φ85mm改為φ80mm具有很大的可能性。

成形的定量仿真分析

為了驗證利用軸向變形的可行性，借助于虛擬成形軟件對其進行工藝成形仿真分析。將圖1所示中間毛坯的桿體直徑由φ85mm改為φ80mm，仿真分析結果如圖3所示。

圖3 連接桿中間毛坯桿體直徑為80mm的仿真分析結果

工藝實踐

圖4 為工藝優化后鍛打成形的鍛件和毛邊，凸字標識清晰，材料的利用率有了明顯的提高，模鍛成形由原錘擊10～11次，降到了5～6次，鍛件成形的鍛靠力和鍛打所需的能量明顯降低，生產效率有了明顯的提高。

圖4 鍛件及飛邊

半閉式模鍛工藝與增大軸向變形的應用

半閉式工藝結構形式

長軸類鍛件常用的半閉式的結構形式如圖5所示。此類結構是針對復雜結構的鍛件難以實現小飛邊半閉式工藝，需排出較多的金屬，同時又需增大局部擠壓成形的能力，或出于節約材料的需求。在側向縫隙分流器的小飛邊半閉式結構基礎上，加大了側向縫隙的同時又具有開式的倉部結構，以便容納更多的金屬。這種復合結構形式的模鍛工藝具有開式與閉式的雙重優點，且具有廣泛的適應性，相對開式結構具有提前形成金屬外排阻力及明顯增大金屬外排阻力的特點，因而帶來了明顯的節材效果和提高模鍛過程中坯料的填充性能，相對開式模鍛工藝節材5%～15%。

常規應用

圖6 為某曲軸模具的三維模型，曲柄軸向左右兩側采用半閉式結構，前后端因材料富足，采用開式結構以便于排出大量多余金屬。圖7為某曲軸鍛后的飛邊，采用半閉式結構后，曲柄軸向左右兩側的飛邊相對開式模鍛的飛邊明顯減小，材料直徑規格從140mm減為135mm，用料減少5.6kg，材料的成形利用率提高了7%。

圖5 半閉式模鍛結構

圖6 曲軸半閉式模鍛結構

圖7 曲軸半閉式模鍛工藝形成的飛邊

某些曲軸具有明顯細長的前端，如圖8所示。在曲軸模鍛成形中此部位坯料成形利用率明顯偏低，即使此部位采用輥鍛制坯，因受兩道次縮減率的限制和受橫截面面積突變的過渡及確保第一曲柄平衡塊的正常充滿因素所限，模鍛后仍形成寬大、厚重的飛邊。

圖8 具有較長前端的曲軸

曲軸前端用料狀態如圖9所示，因坯料橫截面面積明顯大于曲軸前端橫截面面積，且形狀簡單，易于成形，材料富足，此部位常規工藝采用開式結構，并選用減少金屬外排阻力的橋部參數。同時因材料富足，為相對節約材料，長度比鍛件略短，見圖9中標注的ls，通常ls取值約為（ds-df）/3左右。為了進一步節材，能否嘗試ls取更大數值呢？

圖9 曲軸前端的用料狀態

圖10 a為某曲軸前端的開式成形，且為ls取正常值時的成形狀態，成形良好。圖10b為增大ls后的成形狀態，平衡塊的飛邊明顯減小，影響了第一平衡塊的充滿成形，同時還產生了前端端面折疊。究其原因是由于當金屬流動接近端頭模壁時，端面產生明顯凹陷，近分模面部位產生貼合模壁的尖角形狀，當尖角部分接觸到型槽末端時，沿根部工藝圓角回圈形成折疊，因坯料上下模部分流動的差異性，產生部位一般位于下模部分。在模鍛錘上生產時，由于錘的高速打擊和存在很大流動慣性的特點，此現象更為明顯。

圖10 ls取值對成形狀態的影響

增大軸向變形的工藝分析

能否以增加金屬外排阻力的方式來成形曲軸前端呢？增大前端左右兩側金屬外排阻力后，左右兩側富足的金屬在橫截面方向外排減少，會促使多余的金屬向前端軸向流動變形，通過這種方式能否使ls進一步增大來減小前端的用料呢？會不會影響第一平衡塊的充滿成形？前端端面是否會產生折疊缺陷？模擬結果表明，采用半閉式結構和增大軸向變形的方式，在明顯節材的同時，第一曲柄的成形情況也有明顯的提升。僅此部位就節材6.3kg，較長前軸端的曲軸或類似結構的鍛件，如一端或兩端具細長桿部結構的長軸類鍛件會有更明顯的節材效果。但是否會產生前端面折疊呢？通過進一步的成形分析發現，成形過程中坯料端面會出現中間凹陷，但此部位對應橋部開口部位，完全成形后鍛件本體不會形成折疊，能很好地成形。

新的工藝思維方式帶來的影響

在實際生產中，發現許多工藝是完全遵循毛坯計算法則而設計的。如一些階梯軸是依階梯軸最大直徑選料，按最大直徑加相應火耗和毛邊選擇原材料規格，當階梯軸最大直徑處的長度與直徑比值較大時，會理所當然；當最大直徑處長度與直徑比值并不大時，也有這么做的。當橫截面變化較大時，因截面突變處坯料需平滑過渡，同時需避免鍛件截面突變拐角處產生折疊缺陷，以及長度方向制坯偏差的補償和某些部位制坯的經濟性考慮，會多處存在坯料富足區域，通常材料成形利用率不高。在新的工藝思維方式指導下，對某些階梯軸鍛件進行了工藝優化，用料規格明顯減小，材料成形利用率提高了5%左右。也有一些明顯類法蘭結構的鍛件或局部用料偏大的鍛件完全遵循計算毛坯法則而設計，采用了自由鍛制坯和模鍛兩火次加熱生產，在新的工藝思維方式指導下，充分利用了軸向變形，對中間毛坯的坯料重新進行軸向分配和優化，減小了材料直徑規格，取消了制坯工序，減少了加熱火次，降低了制造成本。

利用軸向變形需注意的問題

如果法蘭（或類法蘭結構）兩側金屬同時向法蘭對向流動變形時，通常不會形成折疊缺陷。當金屬單向發生較大的軸向變形而跨越法蘭時，須預防折疊缺陷的產生。圖11為曲軸油封法蘭折疊缺陷，圖9中呈現出的未完全閉合狀態，是具有油封法蘭的曲軸在調試中或坯料前后定位偏差較大時遇到的一種成形缺陷，其形成機理主要是此處成形初期成形了部分法蘭形狀，隨后的成形因坯料向曲軸后端方向發生了較大的軸向變形，而使已成形的部分形狀發生了明顯的軸向偏移。在成形后期的補料過程中產生了折疊缺陷。有預鍛的成形工藝可改變此處預鍛的形狀，弱化臺階，既可兼顧后端的材料成形利用率又可解決折疊缺陷。在沒有預鍛的成形工藝中，只有適當加長后端坯料的長度來解決此類問題，或改變法蘭兩側的過渡形狀，來避免金屬軸向流動跨越法蘭時形成折疊缺陷。

圖11 曲軸油封法蘭折疊缺陷

結束語

本文對計算毛坯法則進行了逆向思考，對長軸類鍛件利用軸向變形的節材方式進行了相關分析，可通過利用軸向變形對坯料規格和中間毛坯進行優化，以達到明顯的節材和綜合降成本的效果。并對采用半閉式模鍛結構，促使加大軸向變形的工藝方式進行了可行性分析。在復雜長軸類鍛件的應用中，需要進行更為細膩的工藝分析。

（本文獲得《鍛造與沖壓》2015年有獎征文第二名）