淺析三通閥體鍛件多向模鍛上沖頭尖部模具斷裂原因

文／宿勇進，徐文翠，張家偉，張志鵬·中冶重工(唐山)有限公司

多向模鍛又稱多柱塞模鍛，與普通模鍛不同，其在模具閉合后，幾個沖頭自不同方向同時或先后對鍛坯進行擠壓，從而在坯料一次加熱后完成復雜工藝，既具有擠壓工藝變形均勻、機械性能好的特點，又具有閉式模鍛成形精度高的特點，而且可以加工普通模鍛無法一次完成的復雜零件。但是由于該工藝比較復雜，并且國內無現成經驗可以借鑒，可以說是邊探索邊發展，因此就目前來說，該工藝尚存一些瓶頸核心技術難題等待解決。在這些核心技術難題中比較突出的一個就是三通閥體鍛件在生產過程中上沖頭尖部模具的斷裂比較頻繁，此問題不但大大增加了生產的成本，而且對生產工期也造成嚴重影響。筆者以3 英寸三通閥體鍛件上沖頭尖部模具斷裂(圖1)現象為例，簡述其斷裂現象并分析其產生原因。

圖1 上沖頭尖部模具斷裂

如圖1 所示，斷裂發生在三通閥體鍛件垂直孔內，即為上沖頭尖部模具的穿孔部。圖1(a)顯示的模具斷裂方向為正南-正北，從斷裂情況可以定性判斷出正南斷裂點受拉，為撕裂，正北斷裂點受壓，為壓裂。圖1(b)顯示的模具斷裂方向為西南-東北，從斷裂情況也可以定性判斷出西南斷裂點受拉，為撕裂，東北斷裂點受壓，為壓裂。以上做的只是簡單的定性分析，由于多向模鍛是使金屬材料在高溫狀態和各種應力狀態下受力流動，鍛造成形的過程復雜，因此上沖頭尖部模具斷裂的原因不是由單純的某一方面因素造成的，而是受多種因素綜合影響。下面筆者從上沖頭尖部模具工作相關的幾個方面入手，簡要描述模具工作過程并分析其可能產生的斷裂原因。

上沖頭尖部模具斷裂現象原因分析

由概述可知，上沖頭尖部模具的斷裂現象與多種因素有關，不僅僅局限于模具本身。雖然如此，模具本身結構性能的優劣對模具的斷裂也起著抑制或促進作用。下面分別對模具結構、模具工作過程和模具受力情況等進行分析研究。

上沖頭尖部模具結構性能分析

上沖頭尖部是上沖頭的工作部分，采用熱作模具鋼4Cr5MoSiV1(美標H13)制作，該鋼具有良好的韌性和較好的熱強性、熱疲勞性和一定的耐磨性。如圖2 所示，沖頭結構主要包括三部分：穿孔部、導向部、固定部。其中，固定部又細分為固定螺紋、退刀槽和定位外圓柱。

圖2 上沖頭尖部模具結構示意圖

工作時導向部與上模芯的導向孔間隙配合起到沖頭下行時準確定位并導向的作用。上沖頭尖部模具結構存在3 個機加工切削應力集中部位，根據所在軸徑尺寸的大小可排列出結構由弱到強的順序：最薄弱的環節顯然是部位1，即退刀槽圓弧過渡處；其次是部位3，即穿孔部根部圓弧過渡處；然后是部位2，定位外圓柱與導向部圓弧過渡處。

上沖頭尖部模具工作過程

如圖3 所示，上沖頭尖部垂直下行至導向部下端所在平面與上模芯導向孔上端所在平面處于同一平面時，導向部開始起定位導向作用。如圖4 所示，當上沖頭尖部行進至下死點位置時，上沖頭穿孔擠壓工作結束并停止在該位置；此時鍛坯兩側的水平沖頭開始相向同步行進，待與鍛坯接觸后開始對其進行穿孔擠壓并到達指定位置時結束。鍛坯材料經擠壓流動成形完畢后，首先水平沖頭反向同步回程，然后上沖頭垂直向上回程，整個擠壓流動成形工作結束。

圖3 上沖頭導向部進入導向孔初始位置示意圖

圖4 上沖頭到達下死點時整套模具相對位置示意圖

上沖頭尖部工作時受力分析

上沖頭尖部行進至下死點位置時，上沖頭尖部工作結束并停止在該位置上，左右兩側的水平沖頭在水平穿孔缸的作用下相向同步(可以先假設為無誤差精確同步)行進，待兩個水平沖頭對鍛坯材料接觸后形成擠壓時在水平孔的中心線位置形成一個力系如圖5所示。

圖5 水平沖頭擠壓鍛坯時水平沖頭端部受力分析示意圖

F左和F右分別是液壓機左右水平穿孔缸施加在各自水平沖頭上的推力，大小相等(理論上是相等的，但實際上由于各自液壓缸內部摩擦力不同和液壓油在管路上沿程阻力的不同等原因，其大小存在一定程度的誤差)，方向相反；f左和f右分別是鍛坯材料在左右兩半型腔內流動時對各自腔內的水平沖頭形成的水平方向的阻力，大小相等(理論上是相等的，但實際上由于鍛坯與型腔初始相對位置難免會存在位置度誤差，并且左右型腔在制作上難免會存在加工精度相似度誤差，再加上上下模芯對模精度可能也存在一定誤差，這些誤差會造成型腔內鍛坯材料與型腔間的間隙不同和流動時所受摩擦阻力不同，因而導致左右腔內鍛坯材料在兩個方向上的流速不同，進而對兩側水平沖頭造成的阻力不同，因此其大小實際上并不相等)，方向相反。

用F'左和F'右分別表示左右水平沖頭克服各自的阻力f左和f右后通過鍛坯材料作用在上沖頭尖部穿孔部兩側對應位置的力，如圖6 所示，則這些力的絕對值之間的關系可用下列等式表示：|F'左|=|F左|-|f左|，|F'右|=|F右|-|f右|。理論上講，|F左|=|F右|，|f左|=|f右|，但是由于多種因素影響(前面已作論述)，實際上并不相等，總是存在一定誤差，因此實際上|F'左|≠|F'右|，它們之間的差值F'右-左取決于F左和 F右、f左和 f右之間差值的大小，而F'右-左的大小對穿孔部的撓度彎曲變形直至其應力集中部位被疲勞剪斷起著決定性作用。如果這個F'右-左的大小沒有超過允許范圍，就不會對沖頭尖部應力集中部位直接造成疲勞剪斷，而只是會使穿孔部不斷地產生撓度彎曲變形并積累，導致鍛造生產時鍛件垂直孔軸線偏心，如圖7所示，因此，被剪斷的沖頭穿孔部變形是造成垂直孔軸線偏心的原因。

圖6 上沖頭尖部穿孔部水平受力示意圖

圖7 鍛件垂直孔軸線偏心

如果F'右-左的大小超過允許范圍，便會使沖頭尖部剪切應力集中部位直接疲勞剪斷。一般來說閥體材料的終鍛溫度在800 ～900℃，假設上沖頭尖部穿孔部根部被疲勞剪斷時溫度在500 ～600℃之間，取上極限600℃作為參考值，查《中國模具工程大典》手冊中4Cr5MoSiV1 在高溫環境下的抗拉強度變化曲線知，600℃時熱作模具鋼4Cr5MoSiV1 的抗拉強度約為624MPa。現暫以此數值作為參考計算終鍛時上沖頭尖部穿孔部根部圓弧過渡處所能承受的最大剪切力：F=Ltσb(N)≈Ltσs(N)=πr2σs(N)=3.14×(99/2)2×624 ≈4800.92×103N ≈4801kN，即480.1t/m2。

現場測量上沖頭尖部模具受拉撕裂部位E 點到中心O 點所在水平面的垂直距離約為8mm 和4mm，如圖8 所示取平均值6mm 作為參考值；由E 點處被撕裂拉開可判斷出F'右＞F'左，即其差值F'右-左＞0，另外由圖7 知，F'右-左到中心O 點所在水平面的垂直距離為133mm，根據力矩的概念可知，F'右-左對中心O 點產生的力矩Mo(F'右-左)在數值上等于沖頭撕裂部位所受剪切力對中心O 點產生的力矩Mo(F)，根據力矩平衡方程，|Mo(F'右-左)|=|Mo(F)|成立，又|Mo(F'右-左)|=|F'右-左|×133 成立，|Mo(F)|= |F|×6，所以：|F'右-左|×133=|F|×6，將|F|=480.1 噸代入，得出|F'右-左|≈21.66 噸，即兩側水平沖頭分別作用在上沖頭尖部穿孔部兩側的力的差值約為21.66 噸。

圖8 上沖頭尖部穿孔部受拉斷裂點示意圖

上面的數值是根據參考數據計算而得，僅供參考用，實際情況中上沖頭尖部穿孔部由于多次疲勞彎曲導致根部已經積累了相當程度的破壞應力，實際疲勞剪斷時所受剪切力應比上述計算值小一些。雖然如此，上述計算結果卻為我們發現斷裂現象的關鍵問題提供了一個很重要的信息和線索：兩個水平穿孔缸性能參數相同，二者間工作壓力理論上相同，即使受實際因素影響可能有所出入，但也不至于推力相差到幾十噸之多。造成這種現象的最大可能：⑴水平沖頭安裝同軸度超差造成對上沖頭尖部模具扭矩翻轉破壞(設計要求水平沖頭安裝的同軸度誤差單側必須在0.5mm以內，由于缺乏精密的專業測控儀器，實際上同軸度誤差數值遠遠超過設計要求)。⑵兩個水平穿孔缸的活塞在擠壓工作狀態時同步性不理想，一側先受到鍛坯阻力，另一側后受到鍛坯阻力，并且阻力大小不等。

上沖頭尖部導向部與上模芯導向孔對模精度分析

上沖頭尖部是通過其導向部與上模芯的導向孔之間的間隙配合來保證沖頭垂直向下運行的，這個間隙設計圖紙為0.5mm(單側)。如果對模精度基本能達到理想狀態的話，周邊單側間隙應為0.5mm 左右。此間隙值可以保證模具在工作狀態下導向孔內壁和型腔內壁可以均勻承受鍛坯材料流動時產生的壓力，這樣的對模精度對模具的壽命最為有利。此時模具相對位置如圖9 和圖10 所示。

圖9 模具對模位置最理想狀態立面示意圖

顯然模具對模時不可能保證上沖頭尖部導向部中軸線與上模芯導向孔中心線完全重合，總是會存在一定的誤差。現在假設模具的制作精度在圖紙要求范圍之內，開始討論一下上沖頭尖部導向部與上模芯導向孔對模時最不理想狀態時的情況。此時導向配合面一側貼實，另一側出現最大間隙約1.0mm。此時上沖頭尖部導向部中軸線與上模芯導向孔中心線偏心0.5mm 左右，如圖11 和圖12 所示。

圖11 模具對模位置最不理想狀態立面

圖12 模具對模位置最不理想狀態水平截面

此間隙差值雖然不大，但足以造成上沖頭尖部穿孔部在工作狀態下其東西兩側的鍛坯材料流動量不同，從而導致上沖頭尖部穿孔部在東西水平方向上存在受力差，這樣的對模精度對模具的壽命最為不利，并且會改變受力的合力方向，從而改變沖頭穿孔部斷裂的方向。

模具制作精度的分析

模具制作精度高低和質量優劣對鍛件成形后的外形尺寸和模具使用壽命的影響是毋庸置疑的，因此模具制作精度和質量應滿足設計要求，這里強調三點需得到特別重視：

⑴模具上、下模芯結合部的吻合精度應得到有效保證；

⑵上、下模芯型腔內表面粗糙度加工的最后一道修磨工序，應盡量使左右型腔內表面的修磨流線方向與鍛坯材料的流動方向保持一致(目的是為了減小鍛材流動時所受到的阻力)；

⑶左右型腔內表面的粗糙度應最大限度地保持一致，即盡量保證鍛材在兩個方向上流動時所受阻力相同。

模具結構改進設計分析

由上沖頭尖部模具零件結構分析可知，模具結構存在3 個應力集中部位，這是模具結構中的薄弱部位。一般來說這種情況在設計中是不允許發生的，之所以出現這種情況應該是受實際加工工藝水平的限制導致的，隨著加工工藝水平的提高，設計中的加工要求也會隨之提高。就上沖頭尖部模具結構而言，完全可以通過改進設計來減小或避免這3 個應力集中部位。另外，上沖頭尖部模具的固定部的定位外圓柱部位軸向尺寸過小影響定位效果，應適當加大該尺寸。還有沖頭端部的形狀也應重新考慮設計，現在的沖頭端部形狀均是按照客戶閥門零件圖內部形狀設計的，有中心平面四周帶圓弧的，也有整個半圓形的。筆者認為，沖頭端部的形狀并不影響閥門零件的加工，完全可以采用同一種或近似的形狀，而這個形狀應該是最優化的(筆者發現庫存的個別沖頭的端部形狀可以采納)，也就是說當沖頭對鍛坯材料進行擠壓工作時其所受到的阻力能夠盡可能地降至最小，并且能夠保證在高溫的鍛造環境下不會被拉伸壓塌變形。

鍛坯與模具型腔初始相對位置精度分析

為了便于上料，鍛坯直徑會比上模芯垂直孔徑小一些(例如該產品鍛坯直徑比上模芯垂直徑孔小9.9 ～10.03mm)，由于沒有相應的夾具保證它們相對位置四周均勻，往往會造成處于極限位置的鍛坯受沖頭垂直向下擠壓力的同時還會受到其穿孔部水平分力的作用，導致鍛坯在左右方向上流動的材料量不同，進而對左右水平沖頭造成的阻力不同，筆者認為這是導致沖頭疲勞剪斷的重要因素之一。鍛坯與模具型腔初始相對位置如圖13 所示。

圖13 鍛坯與模具型腔初始相對位置

鍛坯下料端面平直度及鍛坯下料質量數值誤差量分析

顯而易見，鍛坯在下料工序中其兩端頭平面與坯體的垂直度精度越高，鍛坯下料質量數值誤差量越小，越有利于精密鍛造成形。這就對鋸床的鋸切下料提出了更高的要求，要求鋸床的夾具以及鋸條本身的安裝都能夠滿足以上要求。

分析與討論

由以上分析得知，造成上沖頭尖部模具斷裂現象的主要原因有以下幾個因素，筆者認為這些因素按影響程度由大到小的排列順序依次為鍛坯與模具型腔初始相對位置誤差、液壓系統水平穿孔缸同步性不好、上沖頭尖部結構設計存在不合理情況、上沖頭尖部導向部與上模芯導向孔對模精度存在誤差。另外，模芯左右對稱型腔內表面的制作精度相同性誤差、鍛坯下料的精度誤差和兩水平穿孔缸相對位置的安裝精度誤差對整套模具的使用壽命也有著重要的影響。

解決措施

根據以上分析過程及結論，筆者提出以下解決措施。

針對上沖頭尖部模具結構設計的改進措施

⑴在將上沖頭尖部穿孔部改為分體式的基礎上，增加徑向定位外圓柱結構。此措施的目的是消除穿孔部根部的剪切應力集中問題和穿孔部的徑向定位問題。

⑵適當增加上沖頭尖部固定部定位外圓柱的軸向長度(可根據試驗定)，同時相應減少固定螺紋軸向長度，保持固定部總長不變。重新校核定位外圓柱與相配合的上沖頭根部孔配合間隙是否合適，另外固定螺紋建議改為細牙螺紋。此措施的目的是增強徑向定位效果，改善裝配條件。

⑶如果可能的話，上沖頭根部模具采用與4Cr5MoSiV1 機械性能相近但線膨脹系數略小的模具鋼材料(4Cr5MoSiV1 的線膨脹系數為13.5×10-6)制作，目的是在高溫工作條件下使徑向定位外圓配合面形成過盈配合，此舉更有利于徑向定位。

⑷在滿足設計的前提下，盡量增大型腔內表面過渡處的圓弧半徑和降低型腔內表面粗糙度以減小鍛坯流動時所受到的阻力。

針對多向模鍛液壓機液壓系統的改進措施

⑴檢測壓力機兩側水平穿孔缸相對安裝位置是否水平、中心對稱。如達不到安裝標準則應進行調整直至符合標準要求。

⑵必須解決壓力機兩側水平穿孔缸活塞工作時無法保證精確同步的問題。

①如果液壓系統主回路仍采用一個油泵供油，可以考慮在回路中采用同步馬達。供油的同步馬達是能夠相對準確分配流量的液壓控制元件，液壓油通過同步馬達后實現對兩個水平穿孔缸均分。這個方法能達到準確控制流量的目的，再加上PLC 控制系統和活塞位移傳感器對實際行程的反饋信號，從而比較精確地實現兩個水平穿孔缸同步。

②如果上述方法仍實現不了精確同步，則可以考慮兩個水平穿孔缸分別使用獨立定量泵供油，由于兩個油泵的流量相等，兩個油缸之間的進出油缸的液壓油相互獨立，彼此不影響，盡管所受載荷不同，但在流量相同的條件下仍可實現同步。

針對上沖頭尖部導向部與上模芯導向孔間對模精度的改進措施

可考慮采用四條窄銅箔片(厚度根據實測間隙定)緊貼在導向孔四周定位(沿圓周位置均分)或采用更先進的激光校準儀定位，盡量保證定位后上沖頭尖部導向部與上模芯導向孔的配合間隙四周均勻。

針對模具制作后入廠檢驗的改進措施

⑴加大對模具入廠檢測驗收的監控力度，嚴格按照圖紙要求執行。

⑵改進測量儀器的性能或采購更為先進的測量儀器以保證檢測數據的可靠性。

⑶對模具關鍵部位尺寸應多測幾組數據，并且應組織相關部門技術人員根據零件圖和模具圖要求對檢測數據進行分析討論，并對其是否符合圖紙要求進行評審會簽。

針對鍛坯與模具型腔初始相對位置誤差的改進措施

制作專用的定位夾具來保證鍛坯與模具型腔初始相對位置精度。

針對鍛坯下料端面平直度和質量數值誤差量的改進措施

在鋸床前端采用百分表配合頂尖定位(頂尖頂在棒料截面圓心部位，頂尖本身定位后焊接固定)，如此一來圓鋼棒料即使出現0.01mm 的水平位移也會在百分表上顯示出來；另外應特別重視進料機構的調平工作，保證圓鋼棒料呈水平放置狀態。如此可將每個鍛坯料的長度尺寸精度控制在0.05mm 以內。以此型號三通閥門為例計算，同時考慮到鋸片切削時傾角誤差造成的影響，則下料的重量誤差范圍預計可控制在16 克/件以內。此數據遠好于目前的平均數據49 克/件以內，這對鍛件的成形質量和模具的壽命無疑是非常有利的。