深腔薄壁重型過濾器外殼的純冷鍛工藝設計

文／劉永康，莊日松·江蘇威鷹機械有限公司

過濾器在工程機械中的作用就如同腎臟之于人體，讓工程機械潤滑系統內的油液保持無雜質的清潔狀態，對工程機械能否正常使用至關重要。為了能夠充分發揮工程機械液壓濾清器的設計功能，往往需要在濾清作業中對液體加壓，以達到增大流量、快速濾清的效果，因此，過濾器外殼(圖1)的承壓能力將對整個濾清系統起到重要的作用。

圖1 某過濾器外殼

初始工藝方案：溫/熱鍛+冷鍛

在我司目前已量產的產品中，小、中型過濾器外殼及DCT 汽車變速器蓄能器外殼，可謂是與之為同類型產品，經過成本核算及性能試驗，原有的熱鍛+冷鍛的方式并不是最優解。

溫/熱鍛中存在的問題

溫/熱鍛顧名思義，在鍛造起始時需要對坯料進行加熱，但是重型零件加熱設備的通用性、能源的利用率相對來說都比中小型零件表現的差很多。此零件毛坯重量達到了19.5kg，通過熱鍛工藝加工的耗料更是達到了23.5kg，以φ120mm 的棒料為例，下料長度需要264.7mm，此時的長徑比為2.2，使用中頻加熱的方式，很難確定棒料的中心溫度與表面溫度是否一致，且如此大小的中頻爐膛使用頻率極低，通用性極差。

在熱鍛過程中，受大變形量及設備噸位的限制，會將加熱溫度提高到1200℃左右，此時棒料表面會產生大量的氧化皮，雖然在產品工藝設計過程中會考慮增加除鱗工序，但并不能達到表面無凹坑的效果。高溫除了會導致零件氧化還會使鍛造模具的磨損加劇，以成形上模為例，模料選用H13，熱處理硬度58HRC，經過600 件鍛造后，模具磨損程度已無法接受，需要返修模具后再生產。模具壽命低，且無法開展有效率的生產工作。另外，較高的加熱溫度還會使鍛造后的金相組織異常，需要通過正火進行改善，重型零件的每一次搬運都會產生較高的成本，并且出爐溫度550℃，對生產操作人員很不友好。除此以外，熱鍛產品的制坯余量相對較大，因此，料耗也相對較高。

純冷鍛工藝中存在的技術性難題

從零件結構上不難發現，此產品屬于深孔型零件，適合反擠工藝；零件材料為20 號鋼，適合冷鍛。初步工藝設想為冷反擠出坯(圖2)，再冷拔長(圖3)。在實際的工藝開發試制中出現的問題如下。

圖2 冷反擠壓出坯

圖3 冷拔長

上下模具的力學極限

使用有限元軟件對產品進行FEA 鍛造力分析，從棒料鍛造至圖2 毛坯產品，需要2115 噸，如圖4所示。鍛造模具上模最小直徑為106.6mm，據此計算上模單位面積力為2352MPa，符合小于2500MPa的行業標準。

圖4 鍛造成形力分析

上、下模具的表面拉毛問題

坯料在模具內的流動會對模具表面形成一定的磨損，在流動的同時還會產生大量的變形熱。鍛造后產生的瞬間高溫為500℃，如圖5 所示；鍛造結束后的鍛坯內部溫度為256℃，如圖6 所示。

圖5 鍛造后產生的瞬間高溫為500℃

圖6 鍛造結束后的鍛坯內部溫度為256℃

硬質合金模具的硬度很高，但韌性很差，需要在外圈有較大的預緊力的情況下才能有較好的使用效果，在此模具結構的限制下，無法使用硬質合金材料以抵抗模具與坯料的粘連。在變形熱與大流量的雙重作用下，很容易產生模具沖頭粘料、拉毛現象。

冷拔長鍛造比的選擇

冷鍛出坯后，產品的表面和心部均有不同程度的硬度提升，金相組織也會發生相應的改變，如不能合理的設置冷拔長的鍛造比，可能會引起產品拉裂、拉斷，如圖7 所示，正確鍛造比下的鍛造情況如圖8 所示；如設置過小的鍛造比，除了會增加鍛造道次，更會因鍛前料坯過長，設備的開口高度不夠，無法實現所設計的工藝。

圖7 鍛造比不合適引起產品拉裂、拉斷

圖8 合適的鍛造比設置產品良好

試制情況及問題解決

選用直徑為170mm 的原材料下料，進行球化退火處理，金相組織如圖9 所示，球化后的原材料能夠滿足球化率不小于80%的要求，硬度不大于65HRB，為冷鍛打下良好基礎。

圖9 球化退火處理后的金相組織

為防止在冷反擠過程中產生拉毛，對上下模的表面粗糙度進行了嚴格的控制，另外對坯料的表面磷皂化也做了較為嚴格的控制。

圖10 為冷反擠后的產品，設備主缸壓力表顯示為19MPa，換算噸位2280t，與有限元分析差異4%，可認為符合理論預測，無其他異常因素影響。

圖10 冷反擠后的產品

后續幾道冷鍛拔長，在設計過程中考慮合理的鍛造比，使得產品能夠順利生產，圖11 所示為拔長1、拔長2、拔長3、拔長4 產品圖片。

圖11 冷鍛拔長過程

在理論的分析下，預先設置了較為合理的鍛造過程參數，經過合理的模具表面處理，棒料表面處理，使得整個鍛造過程無異常情況，當然，我司的設備多樣性具有得天獨厚的條件，從3000t液壓機到315t大行程液壓機，使得我們在工藝設計上可以放開手腳，努力將各個環節做到與工藝設想相吻合。

如前文提到，零件的性能要求相對較為嚴格，抗拉強度要求不小于500MPa，屈服強度不小于350MPa，延伸率不小于8%。對此，我們送檢了第三方，進行試驗驗證。圖12 為以冷鍛工藝生產的產品性能測試結果，圖13 為熱鍛+冷鍛工藝生產的零件的性能檢測結果，通過兩份報告可以看出，冷鍛產品的抗拉強度相對提高21.7%，屈服強度相對提高19.2%，延伸率有所下降。

圖12 冷鍛工藝生產的產品性能測試結果

圖13 熱鍛+冷鍛工藝生產的零件的性能檢測結果

結束語

此次工藝的優化設計，使得深腔鋼筒類產品完成了從熱鍛+冷鍛到純冷鍛的工藝轉變，大大縮短了工藝路線長度，提高了零件的抗拉強度和屈服強度，與此同時，提高了管理效率，降低了生產成本；從材料學的角度考慮，延伸率有所下降在情理之中，、因為在客戶的使用過程中，抗拉強度、屈服強度才至關重要。