鍛鋼活塞裙切邊工藝分析

文／王濤，王飛，金朝暉，徐寶國·安徽安簧機械股份有限公司

鍛鋼活塞裙通常采用的是開式鍛造工藝，這就決定了切邊是不可避免的一道生產工序。然而，在切邊工序中，經常會遇到以下兩個常見問題：一是因切邊模具設計不合理造成活塞裙殘留飛邊過大，超出相關標準，后續需要打磨返工，造成浪費；二是因切邊造成活塞裙臺階面變形，導致產品無法滿足客戶圖紙尺寸公差要求而報廢。

由于切邊工藝過程高度非線性，而且涉及到多門學科，比如材料力學、彈塑性力學、斷裂力學，相關理論研究很少?，F針對鍛鋼活塞裙切邊工藝進行分析，給出切邊用的凸凹模關鍵尺寸設計公式以及切邊常見問題的解決方法。

切邊用凸凹模關鍵尺寸設計

在鍛鋼活塞切邊模具設計中，有兩個關鍵尺寸對切邊質量來說十分重要，那就是切邊凸模的最大外圓尺寸D凸和切邊凹模的刃口尺寸D凹，見圖1 和圖2。

圖2 切邊凹模

切邊凸模在切邊過程中起到傳遞壓力的作用，切邊凹模起到切刃飛邊的作用。首先要確定切邊凹模的刃口尺寸D凹，再根據刃口尺寸D凹確定切邊凸模的最大外徑D凸。

在進行活塞裙模具設計時，活塞裙鍛件的熱縮率取1.015，鍛造時的溫度在1200℃左右。而在實際生產中，切邊時活塞裙的溫度會從1200℃降到1000℃左右，這就需要考慮溫降引起的鍛件收縮率的變化。鍛件在放入凹模中進行切邊時，其外形尺寸已經冷卻收縮。

下面介紹活塞裙鍛件在切邊時熱收縮率的求解過程。為簡化研究，將鋼材的熱膨脹系數α 視為常數，不考慮其隨溫度的變化而變化。假設活塞裙鍛件在1000℃時的熱收縮率為A。鍛造時鍛件從室溫加熱至1200℃，一般室溫取20℃，活塞裙在常溫(冷態)時分模線的直徑為D。

α×(1200-20)=1.015D-D (1)

α×(1000-20)=A×D-D (2)

由式(1)和式(2)，求得A ≈1.0125。

那么，D凹=1.0125D+2×鍛件允許的殘留飛邊-模具制造上偏差，D 為活塞裙在冷態時分模線的尺寸，模具制造的上偏差取決于模具制造水平，模具型腔尺寸制作精度一般可以控制在±0.3mm 以內。鍛件允許的殘留飛邊參照客戶標準或《鋼質模鍛件公差及機械加工余量》國家標準。

D凸=D凹-2×切邊壓力機導柱導套之間的單邊間隙-切邊凹模和切邊凸模裝配的中心偏差，切邊模架的導柱和導套之間的單邊間隙一般為0.2 ～0.3mm，切邊凹模和切邊凸模裝配中心偏差根據模架和切邊模具制造安裝水平確定，一般可以控制在φ0.4mm 以內。

鍛鋼活塞裙切邊常見問題的解決方法

殘留飛邊過大的解決方法

合理設計切邊凹模刃口的輪廓尺寸D凹，因為切邊凹模的刃口在切邊過程中起到切刃飛邊的作用，所以切邊凹模的刃口尺寸設計是否合理決定了殘留飛邊的大小。

切邊變形的解決方法

活塞裙在切邊時經常出現厚裙外側臺階面變形問題，見圖3 和圖4。

圖3 活塞裙臺階面變形部位

圖4 三坐標掃描檢測結果

活塞裙的切邊變形是一個受到多因素影響、較復雜的問題。為簡化研究，將切邊過程看作一個純剪切過程，切邊力F=π×(D凹/2)2×t×τ，D凹為切邊凹模刃口直徑；t 為切邊時實際剪切厚度；τ 為鍛件材料切邊溫度下的抗剪強度。

針對切邊變形情況，給出以下防止或減小變形的方法。

⑴合理設計切邊凹模刃口的輪廓尺寸D凹，防止切邊時產生過切導致切邊力的急劇增加。在能滿足鍛件殘留飛邊的前提下，采用上述公式計算時，切邊凹模刃口的輪廓尺寸盡量取較大值。

⑵合理設計切邊凹模的刃口形式。在能滿足切邊凹模刃口強度的前提下，盡量減小刃口寬度L，一般取5mm。對于鍛鋼活塞裙法蘭厚度較薄的產品，由于直刃口剪切工作帶較長，切邊力較大，切邊凹模的刃口形式可以由直刃口(見圖5)改為斜刃口(見圖6)，斜刃口可以減小切邊力F，有效減小活塞裙因切邊造成的變形。

圖5 直刃口形式的切邊凹模

圖6 斜刃口形式的切邊凹模

⑶合理設計活塞裙鍛件分模線的位置，確保切邊時活塞裙鍛件放到切邊凹模里能夠有效、可靠地定位。防止切邊時因定位不當造成一邊過切，一邊殘留飛邊偏大，切邊受力不均勻也會導致變形。

⑷控制切邊時的鍛件溫度。根據切邊力計算公式，切邊力的大小和鍛件材料抗剪強度有關，而材料的抗剪強度和溫度的關系呈非線性負相關。鍛件溫度越高所需的切邊力越小。根據車間實際操作經驗，活塞裙切邊時的溫度要求控制在850℃以上。

⑸減小切邊凸凹模間隙，可以減小引起變形的外力彎矩。但需要考慮到切邊壓力機的導向精度和切邊凸凹模的裝配中心偏差，間隙過小在切邊過程中易導致凹模刃口被凸模損壞。

⑹除了以上幾點，還可以考慮以在終鍛模具上做局部補償的方式解決鍛件變形問題，即在活塞裙變形部位反方向改變終鍛模的形狀尺寸，使得鍛件變形后可以回調到所需要的尺寸公差范圍內。

結束語

本文的目的是為了解決活塞裙切邊工序經常出現的殘留飛邊過大和切邊變形問題。從理論層面，給出切邊用模具關鍵尺寸的設計公式。利用該設計公式并結合切邊力計算公式，為解決殘留飛邊過大和切邊變形問題提供分析思路，并給出相應解決方法。