平地機半軸產品模鍛工藝及質量控制

文/夏占雪·第一拖拉機股份有限公司工藝材料研究所阮艷靜，潘現芬·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

平地機半軸產品模鍛工藝及質量控制

文/夏占雪·第一拖拉機股份有限公司工藝材料研究所阮艷靜，潘現芬·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

半軸是工程機械底盤驅動部分的關鍵零件之一，使用過程中承受復雜的彎曲、扭轉載荷和較大的沖擊載荷，這就要求半軸具有較高的疲勞強度、硬度和良好的耐磨性。半軸的使用壽命除受產品工藝設計階段的方案和選材影響外，其鍛造生產過程及鍛件質量控制也至關重要。

模鍛工藝及技術難點分析

如圖1所示，該產品是卡特彼勒公司平地機上的一種半軸產品，該產品法蘭盤較大（直徑為350mm），桿部細長，且桿部直徑、端面法蘭與桿部截面積差異較大，需要對鍛造工藝進行充分的分析才能實現批量化生產。

根據公司現有設備狀況與詳細的工藝分析和計算，該產品的批量化生產需要大噸位的模鍛設備與制坯工序相結合的制造工藝才能實現，模鍛設備初步選擇10t模鍛錘，制坯工序，首先考慮到采用平鍛工藝制坯，但是，由于制坯后桿部也存在局部尺寸的變化，最終確定選用1t自由鍛錘完成制坯工序。最終確定的生產工藝流程為：下料-加熱-自由鍛制坯-加熱-錘上模鍛-切邊。這一工藝方案也存在幾個技術難點需要工藝設計階段克服掉：

(1）模鍛成形難度大。

綜合法蘭盤及桿部尺寸結構特點，合理選擇原始坯料規格，避免鐓粗變形過程中產生彎曲甚至折疊；優化自由鍛中間坯桿部直徑和長度的設計，確保模鍛時適度變形，保證充滿良好。

(2）桿部長，鍛模下模型腔深，鍛件出模困難。

1）分模面的確定：工藝設計時要從多方面采取預防措施，在分模面位置選擇上及避免切邊拉毛刺等問題上，確定最優的工藝方案與模具結構及分模面（圖2）。

2）拔模斜度確定：法蘭盤和桿部緊靠法蘭的局部長度范圍內的拔模斜度設計為5°（圖1），其余桿部大部分無拔模斜度，使零件易于出模。

圖1 半軸鍛件結構

圖2 半軸鍛模結構

3）錘鍛模桿部型腔和中間坯的合理間隙的選擇，確定合理的參數，從而減少出模阻力。

4）在錘鍛模下模增加頂出機構（圖2），輔助出模。

5）中間坯桿部端頭一端做出一定的錐度（圖3），利于出模。

圖3 半軸中間坯結構

(3）鍛件總長太長、切邊壓床閉合高度有限，切邊時半軸鍛件取放空間不足。

通過設計一種立式分體旋轉凹模切邊模具，將切邊凹模設計為活動側開式（圖4），切邊時先旋開凹模，零件水平放入，合上凹模、用插銷緊固，切完邊后零件直接從底座中拉出，從而解決切邊時半軸鍛件取放空間不足的難題。

生產過程中的工序質量分析及控制措施

(1）下料工序。

下料質量好壞將影響后續自由鍛制坯甚至模鍛質量，下料過程產生缺陷主要有以下幾種。

1）長度超差。下料長度超長或超短，超長可能造成鍛件尺寸超正差、浪費材料，超短則可能導致鍛件充不滿或尺寸小負差。其原因可能是定位擋板設置失誤或下料過程中定位擋板松動、失準。

2）端面斜度大。端面斜度大是指坯料端面相對于縱軸線的傾斜量超過了規定的許可值。端面斜度過大時，可能在鍛造過程中形成折疊。其原因可能是由于下料時棒料未夾緊，也可能是帶鋸條齒尖異常磨損，或是帶鋸條張力過小、帶鋸床引導臂不在同一水平線上等等。

圖4 半軸切邊模結構

3）端面毛刺。鋸切棒料時，一般在最后斷開處容易出現毛刺。有毛刺的坯料，加熱時易引起局部過熱、過燒，鍛造時易產生折疊和開裂。其產生原因一是鋸條老化，或者是鋸齒磨損、不夠鋒利，或者是鋸條有斷齒；二是鋸條線速度設置不合適，一般新鋸條可適當快一點、老鋸條則要慢一點。

4）端面裂紋。材料硬度不均和材料偏析較嚴重時易產生端面裂紋。有端部裂紋的坯料，鍛造時裂紋將進一步擴展。

為保證下料質量，生產過程中采取了以下預防控制措施：下料前根據工藝規程和工序卡核實材料牌號、規格、數量、熔煉爐(批）號。并檢查圓鋼棒料的表面質量；下料按照鍛件號、材料牌號、規格和熔煉爐(批）號分批進行，并在流轉跟蹤卡上注明下料件數，以防止有異料混入；下料時，應嚴格執行“首檢”、“自檢”、“巡檢”制度，坯料的尺寸公差、端面斜度及端面毛刺等應按工藝要求頻次檢驗，檢驗合格并做出產品狀態標識后方可轉序；在下料過程中，如發現坯料有折疊、結疤、端面裂紋等肉眼可見的缺陷時，應及時報告檢驗人員或工藝人員處置；下料場地應保持整潔，不同材料牌號、熔煉爐(批）號、規格尺寸應分別放置、做出明顯標識，避免混料。如需材料代用，必須嚴格履行材料代用審批手續， 批準后方可下料。

(2）加熱工序。

半軸生產過程中經過兩火加熱，自由鍛制坯為煤氣爐加熱，模鍛為感應電爐加熱，因此加熱序的預防控制更復雜、難度更大；為了保證加熱質量我們制定了如下質量規范：

煤氣爐加熱時，不允許直接在高溫區裝料、不允許火焰直接噴射在坯料表面；在電爐中加熱時，坯料表面不得沾染油污。按相應鍛件的工藝規程要求執行加熱規范，班前應進行連續5～10件坯料加熱溫度的充分驗證，證明加熱參數穩定可靠。坯料因設備、工裝等問題不能按時鍛造，可采取降溫或出爐等方法處理，推出的坯料應做好標記、隔離存放；坯料可以重復加熱，但加熱次數不能超過3次。坯料加熱時的料溫應用紅外測溫儀實時或定期監測，并做好加熱記錄。

(3）制坯工序。

制坯時常見缺陷有中間坯桿部直徑或長度超差、表面錘痕（圖5）、臺階過渡不良等。桿部直徑超正差則模鍛時難以順利放入型腔，桿部小負差則可能因模鍛時桿部的間隙大造成鍛件同軸度超差；表面錘痕和臺階過渡不良則可能導致最終鍛件表面凹坑或折疊。

圖5 中間坯缺陷

(4）模鍛切邊工序。

半軸模鍛成形過程中的主要缺陷有折疊、充不滿、欠壓（未打靠）、錯移等。

1）折疊。半軸的折疊常見于法蘭端面，或在臺階圓角或在法蘭盤中間，一般呈圓弧形甚至半圓形。折疊的形成與坯料或中間坯的質量、模具的設計制造和潤滑情況、模具和錘頭的緊固及鍛造的實際操作等有關。折疊在鍛件處于紅熱狀態時一般可以用肉眼觀察到，但通常在后序能通過磁粉探傷檢驗，如圖6。

圖6 折疊缺陷

2）局部充不滿。半軸鍛件的局部充不滿主要發生在桿部或法蘭盤外圓圓角處，表現為圓角過大或尺寸不符合要求。充不滿會導致鍛件的加工余量減少，嚴重時加工留黑皮報廢。充不滿產生的原因可能是：中間坯或坯料設計選擇不合理，其直徑或長度不合格；鍛造溫度低，金屬流動性差；鍛模潤滑不足；模膛中堆積氧化皮等。

3）錯移。錯移是鍛件沿分模面的上半部相對于下半部產生位移。錯移會影響機加工定位，導致局部加工余量不足。產生的原因可能是：錘頭與導軌之間的間隙過大；鍛模鎖扣間隙設計不合理；模具安裝不良。

(5）切邊工序。

切邊工序主要質量缺陷為殘留飛邊大或不均。殘留飛邊大或不均可能影響機加工定位裝卡，除局部加工余量增大、還會導致加工偏，甚至可能因斷續切削導致打刀。產生的原因可能是：切邊模的沖頭、凹模間隙設計不合理或者凹模磨損老化（如圖7）。

圖7 切邊缺陷

為防止上述各類缺陷的產生、確保鍛件質量，我們制定并采取了一系列防控措施：通過設計評審和工藝驗證確定合適的坯料或中間坯尺寸；在模具設計、驗證階段，除常規的型腔布局、橋部和倉部設計外，特別注意了臺階圓角和鎖扣間隙，預防折疊和錯移，嚴格下料、加熱、自由鍛制坯等序的過程質量控制，重點關注坯料端面斜度和端面毛刺、中間坯的臺階過渡和桿部長度、料溫等。

結束語

世界著名的管理咨詢公司—麥肯錫公司將企業的質量管理水平分為四個等級，其中預防級僅次于完美級，即好的質量管理應“防患于未然”、“勝于無形”。為提高半軸鍛件質量，預防鍛件缺陷的產生，我們分析其成因、采取了相應的 “預防措施”，在工藝開發階段即做好“質量設計”，以保證質量問題在“源頭”得到根本解決。