一種減少多向模鍛水平合模力的模具結(jié)構(gòu)研究

文／代勇·球豹閥門有限公司宋佳男·《鍛造與沖壓》雜志社有限公司

一種減少多向模鍛水平合模力的模具結(jié)構(gòu)研究

文／代勇·球豹閥門有限公司
宋佳男·《鍛造與沖壓》雜志社有限公司

代勇，畢業(yè)于燕山大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)，工程師，從事多向模鍛工藝研發(fā)和生產(chǎn)工作近7年。

多向模鍛實(shí)質(zhì)上是一種以擠壓為主、擠壓和模鍛復(fù)合成形的閉式鍛造工藝。多向模鍛的主要優(yōu)勢是能夠成形形狀復(fù)雜、有內(nèi)腔的鍛件，鍛件在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下成形，流線完整，機(jī)械性能優(yōu)越，無飛邊。為了滿足鍛件產(chǎn)品對產(chǎn)品品質(zhì)的高要求和降低成本的需求，越來越多的鍛造廠家開始采用多向鍛造設(shè)備，多向鍛造工藝的應(yīng)用也越來越多。目前國內(nèi)對多向模鍛工藝的研究大多停留在理論和試驗(yàn)階段，真正實(shí)現(xiàn)批量化大規(guī)模生產(chǎn)的廠家少之又少，而且生產(chǎn)中也存在較多的問題。現(xiàn)將一種多向鍛造生產(chǎn)過程中的常見的垂直分模脹模問題以及解決方案介紹如下。

生產(chǎn)情況

圖1所示是采用多向模鍛工藝生產(chǎn)的某石油行業(yè)API 6D高壓球閥閥體的鍛件結(jié)構(gòu)，相對于普通模鍛能節(jié)省30%以上的原材料，并且大幅減少機(jī)加工工時(shí)，降低成本。

該鍛件在我公司的45MN多向模鍛液壓機(jī)上生產(chǎn)，模具結(jié)構(gòu)采用垂直分模的形式，原始設(shè)計(jì)工藝模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 多向鍛造鍛件結(jié)構(gòu)

該產(chǎn)品在試制過程中出現(xiàn)了以下問題：在上模壓制過程中左、右模發(fā)生較嚴(yán)重的脹模現(xiàn)象（約10mm），最終導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)較大飛邊、充型不足，尺寸超差、模具分模面壓塌等問題。由于上述缺陷的出現(xiàn)最終導(dǎo)致本次試制失敗。試制鍛件照片如圖3所示。

從鍛件照片中可以看出由于左、右模脹模導(dǎo)致鍛件左右方向尺寸超差，變?yōu)闄E圓，鍛件上部嚴(yán)重充型不滿。而且由于左右模脹模出現(xiàn)了較大的飛邊，僅試制了兩件鍛件模具型腔邊緣就出現(xiàn)了嚴(yán)重的壓塌現(xiàn)象，如圖4所示。

圖2 原始設(shè)計(jì)工藝模具結(jié)構(gòu)

圖3 脹模后的鍛件

圖4 模具分模面壓塌照片

原因分析

壓機(jī)水平方向合模力不足是造成本次試制失敗的直接原因。由于垂直分模的工藝特點(diǎn)，模具型腔水平方向的投影面大于垂直方向的投影面，造成產(chǎn)品成形所需要的水平合模力要大于垂直方向的壓制力。由于多向鍛造設(shè)備的受力特點(diǎn)，水平方向的載荷很難做到大于垂直方向的載荷，從制造難度和成本方面考慮，通過工藝改進(jìn)降低水平合模力是最簡單有效的方法，其他同類產(chǎn)品也可以通過這種思路改進(jìn)垂直分模的工藝。

通過Deform-3D分析軟件對該產(chǎn)品的多向模鍛工藝過程進(jìn)行了模擬，分析結(jié)果如圖5所示。模擬結(jié)果顯示該產(chǎn)品成形所需要的水平合模力為39.6MN，比設(shè)備水平方向的額定壓制力高了32%。由此判斷左右模脹模是由于該工藝的水平脹模力超出了設(shè)備的載荷極限，造成了試制過程中的脹模問題。

圖5 原始方案模擬分析結(jié)果

由于脹模力與鍛件的投影面積有直接關(guān)系，為了降低產(chǎn)品成形左右模所需要的水平合模力，需要減少左右模的型腔投影，同時(shí)還要兼顧產(chǎn)品的脫模問題，基于上述原因，我們對模具的分模面進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的模具結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后模具結(jié)構(gòu)

此改進(jìn)方案中，產(chǎn)品下法蘭部分主要由下模成形，把這部分的水平合模力轉(zhuǎn)化為下模的內(nèi)力，以此減少水平合模力。改進(jìn)分模面后左右模的型腔投影面積比之前減少了約25%。

通過Deform-3D分析軟件對改進(jìn)后的多向模鍛工藝過程進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的模擬分析結(jié)果

通過分析結(jié)果可以看出左右模的水平合模力由原來的39.6MN降低為29MN，由于新的模具結(jié)構(gòu)為復(fù)合分模形式，減小了左右模的型腔投影面積，降低了多向模鍛過程中左右模的水平脹模力。

試制驗(yàn)證

最終我們按照上述方案對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，順利生產(chǎn)出充型完整無飛邊的合格鍛件，產(chǎn)品圖片如圖8所示。

結(jié)論

⑴該改進(jìn)方案通過改變多向鍛造分模方式來減少鍛件在左右模上的投影面積，對減少左右模脹模力是行之有效的。

⑵多向鍛造工藝的鍛造過程由垂直方向和水平方向復(fù)合，相對于傳統(tǒng)鍛造更復(fù)雜，但是可以對垂直方向和水平方向進(jìn)行調(diào)整和組合，工藝更靈活多變，增加工藝復(fù)雜性的同時(shí)也給解決多向模鍛工藝問題提供了多種思路，可在多向鍛造生產(chǎn)過程中靈活應(yīng)用。