底座在模鍛成型過程中的缺陷分析與對策

趙淑珍 楊繼璋 令淑萍

(山西利民工業有限責任公司,山西 太谷 030800)

鍛造生產是機械制造工業中提供機械零件毛坯的主要加工方法之一，其目的是通過工、模具或輔具，使原材料在外力(沖擊力、靜壓力)的作用下，經過塑性變形而得到所需形狀、尺寸和性能合格的鍛件。圖1所示為某一高壓容器底座的鍛件結構圖，該底座是高壓容器中的重要零件，材料為35鋼，技術規范要求鍛件正火、淬火處理后加工使用，截面突變大，口部壁厚只有6mm，復雜系數S≈0.56，(H-h)/D≈0.13，屬典型的S4級(復雜)薄壁類鍛件，要求具有極高的綜合機械性能，我廠經過多年的生產實踐已經形成了成熟的錘上模鍛工藝。但在模鍛成型過程中，因操作、模具等工藝方法的不同，以及其他因素的影響，往往會在鍛件上產生一些特有的缺陷。模鍛成型過程中形成的缺陷主要有折疊、錯移、充不滿、欠壓、表面凹坑等。能否有效地防止這些缺陷的產生，是保證鍛件質量，降低鍛件成本，提高生產效益的關鍵所在。

圖1 底座鍛件結構圖

1 底座在模鍛成型過程中各工步成形分析

在座底的模鍛生產過程中，首先要將剪切好的坯料加熱到1200～1250℃，因為在此溫度下材料處于單項奧氏體狀態，具有良的塑性和較低的變形抗力；其次，在鍛模的鐓粗臺上進行鐓粗制坯，如圖2所示，其目的是為了降低高度，增大水平投影，便于在型腔中定位，并且經過鐓粗后清除了坯料表面硬而脆的氧化皮，保護鍛模型腔；最后，將鐓粗好的毛坯放入下模的終鍛型腔中進行多次打擊鍛造成形。

圖2 鐓粗制坯圖

在終鍛過程中一般要經歷四個階段：第一階段為自由鐓粗階段，在此階段毛坯在上模的打擊作用下，高度進一步減小，水平方向更加擴大，并且有部分金屬壓入型腔，如圖3所示，中間底火臺開始形成初形。第二階段為形成飛邊階段，在鐓粗結束后，金屬受到模壁的阻礙作用，有助于流向型腔高度方向，同時開始流入飛邊槽，當上模壓下量達到一定值時，出現少量飛邊，變形力開始明顯增大，如圖4所示，中間底火臺繼續增高。第三階段為充滿型腔階段，由于有了飛邊的阻力作用，金屬內部形成更為強烈的三向壓應力狀態，在上模下壓的過程中金屬不斷地流向飛邊槽，型腔各處逐漸充滿，而隨著上模壓下量的增大，飛邊愈來愈薄，寬度增大，溫度急劇下降，變形抗力明顯上升，造成更大的徑向阻力，從而使金屬向飛邊槽流出愈為困難，促進整個型腔得以充滿，如圖5所示，中間底火臺充滿成形。第四階段為打靠階段，在此階段金屬充滿型腔后將多余的金屬排入飛邊槽內，如圖6所示。

圖3 自由鐓粗階段

圖4 形成飛邊階段

圖5 充滿型腔階段

圖6 打靠階段

2 缺陷產生的原因和對策

2.1 折疊

鍛件的折疊是金屬變形過程中已氧化過的表層金屬匯合到一起而形成的。一般具有如下特征：折疊部分與其它金屬流線方向一致；折疊尾端一般呈小圓角，兩側有較重的氧化、脫碳現象。

在一般情況下只有在滿足下列條件之一方能形成折疊：兩股(或多股)流動金屬對流匯合而形成的；一股金屬急速大量的流動，將鄰近的表層金屬帶著流動而形成的；變形金屬彎曲，回流并進一步發展而形成的；一部分金屬的局部變形被壓入另一部分金屬內形成的。

我廠的底座模鍛件的折疊一般出現在內壁和中心臺同一側的內腔底平面上，也有部分只出現在中心臺一側，形狀為月牙形的一條圓弧形黑線，如圖7所示，經分析屬于第四種折疊情況而形成的。

圖7 折疊形狀

其主要原因是：鍛件受到上模沖擊力的同時，也要受到下模的反作用力，當打擊完成上模快速回升時，在下模反作用力的作用下，工件上跳，出現跳模現象；在跳模后操作者要及時糾正，將工件重新放入下模型腔中準確定位，如果定位不好將工件放偏，形成圖8所示跳模狀態。那么，在二次打擊時就會出現圖9所示的擠切情況，在同一側方向上，工件的底火臺和筒壁內部、外部受到上模在急速下行過程中的擠切作用，外壁的金屬被直接擠入飛邊中，而內壁和底火臺上啃下的金屬被再度壓入本體內形成折疊(在飛邊中也存在向外的折疊)。有的工件是在終鍛第一錘打擊后出現跳模，再放入型腔后定位不準，而只在底火臺附近形成折疊。

圖8 工件跳模狀態

圖9 擠切形成折疊過程

具體解決措施：打緊下模，以避免下模在打擊力釋放后，由于慣性作用產生向上快速微量運動而致使鍛件跳模；當鍛件在鍛打時發現跳模時，要及時進行糾正。

2.2 局部充不滿

局部充填不足主要發生在筋部或外凸小圓角部位等，尺寸不符合圖樣要求，如圖10所示。

圖10 局部充不滿

在底座的實際生產過程中，模鍛時引起充不滿的原因是：在型腔深而窄的部分，由于阻力大而飛邊橋產生的變形阻力小，從而在型腔的某些部分，由于金屬難以流到而不易充滿；部分坯料尺寸偏小，體積不足，或操作時由于放偏等，某局部金屬不足引起充不滿；金屬加熱溫度低，塑性差；鍛打時錘擊輕重掌握不當；模具型腔中留有氧化皮等雜物。

具體解決措施：檢查飛邊橋的磨損情況，如果飛邊橋出現磨損嚴重而引起變形阻力減小，要及時更換模具；嚴格控制下料尺寸，確保下料重量，并控制鍛造時的重復加熱次數，避免因加熱時的氧化脫碳而引發的坯料重量不足；嚴格控制鍛造時的坯料加熱溫度，當坯料加熱溫度低時，拒絕鍛打；鍛打時控制好錘擊力度，做到鐓輕終重；及時清理型腔中的氧化皮等雜物。

2.3 錯移

錯移是鍛件沿分模面方向上半部分相對于下半部分產生位移，如圖11所示。產生的原因是：錘頭與導軌間的間隙過大；模具安裝不良；鍛模導鎖間隙大或磨損嚴重；大砧座與模座結合不好，模座松動。

圖11 錯移

基于上述種種原因，在實際生產中應采取如下具體措施：調整好設備的導軌間隙，提高導鎖精度，出現磨損及時更換；提高鍛模加工精度，保證終鍛型腔和檢驗角的相對位置準確；把鍛模裝正及緊固好，及時對設備的裝卡面(如錘頭和模座的燕尾支承面)進行維修；盡量減少終鍛型腔中心與鍛模中心的偏心量，盡量使兩個中心重合；調整設備精度，特別是要重新配研大砧和模座的結合面，并打緊大楔，防止大砧和模座間出現松動。

2.4 欠壓

欠壓指垂直于分模面的方向尺寸普遍增大，具體預防措施：調整模鍛設備打擊力，足夠滿足鍛件成型要求；控制錘擊輕重和錘擊次數；嚴控毛坯重量，不使毛壞體積過大；嚴格控制鍛造溫度，不使終鍛溫度過低。

2.5 斑痕表面或凹坑

斑痕表面是指模鍛件表面出現麻點狀凹穴，產生的原因一般有兩種：是坯料在加熱過程中表面氧化、粘上雜質或型腔中的氧化物等未能及時清除，模鍛時把這些雜質壓入鍛件表面而產生的。在模鍛時灼熱金屬的急速流動，

與模具產生劇烈干摩擦，在模具表面形成沾結瘤，致使鍛件表面形成局部的凹坑。具體預防措施：嚴格控制毛坯的加熱質量，及時清除型腔中的氧化皮等雜物，并做好模具的潤滑，減少干摩擦。

2.6 平面度超差，底平面不平

底平面不平是指鍛件的內底平面和底平面的平面度超差。這類缺陷一般是由于鍛模磨損嚴重造成的，主要是鍛模硬度低，或者是鍛模使用時間過長所致。預防措施：修復終鍛型腔，應使鍛模精度達到正常要求；提高鍛模硬度，增大耐磨性，滿足使用要求；鍛模在使用過程中，隨時檢查型腔的磨損情況，發現磨損下塌及時更換。

3 結束語

我廠現生產的各種薄壁類底座模鍛件，由于口部壁薄、內腔深、截面突變大等特點，導致金屬流動異常劇烈，難度系數增大，稍有差錯就會導致廢品率增大而影響制造成本。經過對典型薄壁類底座鍛件模鍛成型過程的變形分析，以及經常出現的各種缺陷的分析總結，并在生產過程中針對各種缺陷采取了相應的應對辦法和措施，進一步完善了工藝，強化了管理，解決了生產中遇到的實際問題，提高了良品率，有效地降低了產品的制造成本，對優化薄壁類鍛件模鍛工藝以及指導實際生產具有重要的意義。