環形鍛件模具及工藝優化設計方法

杜 楨

（成都電力金具有限公司，四川 成都 610000）

環形鍛制件截面實則為“工”字型，在成形過程中中間部分的材料大量快速的向兩側流動，隨著鍛制件與模具之間熱傳導，中間部分材料表層溫度降低明顯，環形鍛制件的模具設計及成形工藝中要充分考慮制件材料成型的流動特點，將疊層缺陷的風險徹底消除。

1 環形鍛制件形狀結構及成形特點

如下圖1所示，環形鍛制件環部為截面為一定直徑的圓，便于安裝連接及有利于環-鏈連接受力。鍛制成型的環形件由于模具分型的原因可以有一定的直角邊，但直角邊的長度要小，不影響安裝受力。

圖1 環形鍛制件產品示意圖

2 試驗分析

環形鍛制件的截面為“工”字形，在成型合模過程中，環內側材料在模具作用力下快速大量外流，但由于R處倒角小，內側材料向外側流動困難程度增加，隨著模具繼續合攏內側材料在高壓下繼續外流同時由于模具與坯料間導熱內側材料溫度逐漸降低（內側飛邊越薄溫度越低），最后在高壓下內側低溫材料匯入環部與環部材料形成折疊。經宏觀檢查發現，環類件產品裂紋均出現在環中間部位，深度約1mm～2mm，如圖2環形件缺陷軸向示意圖，根據裂紋形貌特點以及對裂紋的微觀分析，發現此種產品產生裂紋的根源為，鍛造過程中材料反向流動，在材料交匯處，多余材料不能及時有效隨飛邊擠壓出產品本體，形成鍛造褶皺或疊層。

圖2 環形件缺陷軸向示意圖

3 模具設計及工藝優化

3.1 環形鍛制件工藝優化分析

在成型合模過程中，環內側材料在模具作用力下快速大量外流，但由于R處倒角小，內側材料向外側流動困難程度增加，隨著模具繼續合攏內側材料在高壓下繼續外流同時由于模具與坯料間導熱內側材料溫度逐漸降低（內側飛邊越薄溫度越低），最后在高壓下內側低溫材料匯入環部與環部材料形成折疊。

由上分析可以看出，上述一次精壓成型的工藝方式存在環內側R處疊層的必然風險。因此，為了規避上述風險需要對加大模具凸臺的R讓環內側材料順利外流，讓成型過程材料處于正常的塑性變形過程。但加大模具內側R后對落內毛邊造成了困難，同時環內側直線鍛較長，不符合使用要求。

圖3 折疊產生示意圖

工字形截面鍛件，在鍛造成型過程中，由于金屬表層移動容易產生折疊，靠近接觸面a-b附件的金屬沿水平方向大量急速外流，同時帶動a-c、b-d附件金屬一起外流，使已經氧化過的表層金屬a-b與a-c又匯合到一起形成折疊。及產生這種折疊需要滿足，靠近接觸面的表層金屬發生流動，這種流動是沿水平方向的流動，中間不分排出大量金屬，而排出的多余金屬在封閉空間內無法外流。

3.2 模具設計

根據以上工藝優化分析，模具設計需由原來的一次精鍛模改為一副模具預鍛和精鍛兩個模膛。

預鍛鍛造毛坯的截面如圖4示意圖所示，在環內側加大了R尺寸，在預鍛過程中大量的內側材料順利外流，避免在R處形成疊層。在精鍛過程中對內側R處進行校型。

圖4 預鍛毛坯截面示意圖

4 鍛壓力校核

由于采用成型模上有預鍛和精鍛型腔，預鍛和終鍛型腔設置都不在壓力中心點上，同時模具的外形尺寸增大，成型設備都可以調整。

根據熱鍛模壓力機噸位的確定理論-經驗公式有

（1）對在分模面上投影為圓形的鍛件，其模鍛所需壓力（N）為 ：

（2）對在分模面上投影為非圓形的鍛件，其模鍛所需壓力（N）為 ：

其中，D—為圓形鍛件的直徑（mm）；D1—非圓形鍛件的換算直徑（mm），；S—鍛件在分模面上的投影面積（mm2）；L件—非圓形鍛件的長度（mm）；B均—非圓形鍛件的平均長度（mm）；σ—金屬在終鍛溫度下的流動應力（MPa）。

式中（1-0.001D）≥0.7時，即D＜300mm時，（1-0.001D）就以0.7計算。

圖1所示產品投影在分模面上投影為非圓形，采用上述公式②進行計算，采用35CrMo材料，代入數值后，F=5018KN，壓力機噸位≥F/0.8=627噸。

5 生產驗證試制

為了驗證工藝和模具改進后在環內側是否改善鍛制環形件內疊層側裂紋問題，生產試制了25件環形制件。通過檢測這25件中無一件產品有裂紋，與前期一次精鍛成型形成鮮明對比。

6 結論

環形鍛截面為“工”字形，其一次精鍛成型在環內側存在疊層風險，材料高溫下塑性變形能力越差的材料產生鍛造疊層的風險也越大。通過模具和工藝設計優化，能規避鍛造疊層疊層的產生，但平均單件產品的模具使用成本約增加1元/件。