类回转体锻件精密锻造工艺研究开发（中）

文/陈凌，姚毅，宋凯，吴保健·一汽巴勒特锻造（长春）有限公司技术开发部

类回转体锻件精密锻造工艺研究开发（中）

文/陈凌，姚毅，宋凯，吴保健·一汽巴勒特锻造（长春）有限公司技术开发部

突缘类锻件的精密锻造工艺

突缘的锻造工艺原为普通锻造，其制出的锻件如图1所示；工艺流程为镦粗→预锻→终锻→热切边→冲孔，如图2所示；切边、冲孔使用的是联合模结构，如图3所示，工作时，一人负责切边，一人负责冲孔。

图1 普通锻件

图2 普通锻造工步图

图3 联合模结构

普通锻造工艺有以下缺点：

⑴预锻、终锻错差需要调整，费时费力。

⑵错差会引起切边毛刺四周不均匀，需要打磨。

⑶切边、冲孔需要两个人同时操作。

⑷切边时法兰变形严重。

精密锻造工艺采用的是镦粗→预锻→终锻→冲孔→车毛刺的工艺流程（图4），生产出的锻件如图5所示。由于模具上下模单侧间隙仅为0.3mm，因此不用调整错差就可以生产。锻件没有飞边，因而不用切边，法兰没有变形，消除了普通锻造工艺的缺点。

图4 精密锻造工步图

图5 精密锻件

活塞裙锻件的精密锻造工艺

作为汽车“心脏”的发动机，其性能的好坏决定着汽车的品质。随着人们节能和环保意识的增强，对发动机的要求也越来越高。高性能的发动机与普通发动机相比，可提高功率30％以上，降低油耗10％，减少CO2排放20％。而常规的铝合金活塞已不能适应高性能发动机的高增压、低油耗、低排放的要求，锻钢活塞成了替代铝合金活塞的理想选择。

锻钢活塞主要用于爆发压力超过200bar、升功率超过32kW/L的高强化发动机。目前，在国外锻钢活塞已得到了较为广泛的应用，马勒、辉门和科尔本施密特等国际著名活塞公司已具备批量生产锻钢活塞的能力。国内主要发动机制造企业如上柴、康明斯、潍柴和大柴等均在加紧对使用锻钢活塞的高性能发动机的研制和产业化。

图6 锻钢活塞尺寸图

在国内，锻钢活塞使用非调质钢材料的较多。由于锻钢活塞工作条件苛刻，因此对锻造毛坯的要求非常高，如图6所示为某发动机所使用的锻钢活塞，从中可以看出：

⑴锻件存在薄壁，且薄壁的高度高，高径比达到10∶1，锻件很不容易充满。

⑵锻件的尺寸公差及形位公差，要求都是精密级，在锻造时稍有变形，就得不到保证。

⑶锻件拔模角小，不利于锻件出模，如顶出不当，还可造成锻件变形。

⑷锻件薄壁最薄的地方不到5mm，普通刀具无法加工，给模具加工带来困难。

⑸活塞材料为非调质钢，锻造温度对活塞硬度及金相组织起着决定性作用，同时对锻件充满也有很大影响。

以上几个方面相互影响制约，因此，要实现锻件的生产存在非常大的困难。目前，在国内锻造活塞较为成熟的工艺为普通锻造工艺，具体工步为：镦粗→预锻→终锻→热切边，生产出的锻件见图7。使用普通锻造工艺生产活塞，材料利用率在80％左右，使用设备为2500t热模锻压力机。

精密锻造工艺的具体工步为：镦粗→预锻→终锻，各工步如图8所示。

选择镦粗工步，主要目的是去除钢材因加热而产生的表面氧化皮，因锻件存在不加工表面，表面质量对锻件来说至关重要，因此必须使用镦粗工步去除氧化皮，以减轻锻件表面的氧化坑深度。

图7 普通锻造工艺生产的活塞

图8 活塞精密锻造工步

预锻时，锻件薄壁尺寸不能设计得太高，以防止温度下降过快而导致终锻无法充满，还能避免终锻时锻造折纹的产生。

使用精密锻造工艺生产活塞，材料利用率可提高到90％以上，经过对锻造力的模拟和实际生产验证，精密锻造工艺的锻造力也大大减弱，使用2000t热模锻压力机即可满足生产需求。由于精密锻造时不产生飞边，因此不需要热切边工步，缩短了工序，减少了人员和设备配置，节约了生产成本。由此可见，使用精密锻造工艺生产活塞较普通锻造工艺有了很大的提高。

在模具设计时，要考虑以下几方面内容：

⑴锻件存在薄壁，填充非常困难，在模具设计时应对终锻型腔的部分尺寸进行合理的调整，以便于锻件充填能够容易些。另外，活塞内腔需要安装连杆及销，并且不进行加工，因此，在设计时要合理考虑内腔尺寸，避免和其他零件发生干涉。

⑵由于锻件的形状并不是一个完整的旋转体，存在明显的方向性，因此，在各工步之间进行转序锻打时必须考虑定位问题，以防止因位移造成锻造折纹。

⑶由于型槽较深，金属在充填型槽时容易憋气，因此，模具必须开排气孔，排气孔的大小应以既能顺利排出气体，也不往排气孔里钻金属为宜，尺寸控制在φ（1～1.2）mm。

⑷锻件的形位公差要求严格，模具需采用双锁扣形式。

⑸锻件拔模角小，合理的顶出结构是锻件顺利出模的有力保证，在顶出位置面积有限的情况下，应尽量保证顶杆与锻件的接触面积足够大。

终锻模具结构见图9。

图9 终锻模具结构

在实际生产时，还应注意下面这些问题：

⑴锻造加热温度的控制。加热温度高，有利于锻件充满，但非调质钢锻件，其锻后硬度和金相组织跟温度息息相关，过高的温度会造成不良影响，因此，锻打温度应控制在1150～1200℃。

⑵在模具润滑剂的选择上，最好选用受热后不会在模具上结疤的润滑剂，这样不但有利于出模，而且还不会堵塞排气孔，排气孔一旦堵塞，锻件就无法充满。

⑶型槽较深一侧最好安装在设备的上方，型槽不容易因堆积氧化皮而导致锻件无法充满。

使用精密锻造工艺生产的活塞如图10所示，精密锻造工艺生产的锻件和普通锻造工艺生产的锻件相比，外侧没有了残留飞边。用户在机械加工装卡时，需要夹紧活塞外侧，如果存在残留飞边，会直接影响用户装卡定位。精密锻造工艺生产的锻件避免了这个问题的发生，给用户的机械加工带来了方便。

图10 精密锻造工艺生产的活塞

最后，在模具制造时，由于型槽狭窄，刀具无法加工，因此，只能使用电火花进行模具加工。使用电火花加工，对模具型槽尺寸是可靠的保证。

精密锻造工艺模具结构的开发

对于笔者所在公司来说，制约精密锻造工艺实施的主要难点有：现有设备与其他企业新型设备相比，顶料机构没有高度保持功能，锻件出模问题一直无法解决。再者，设备陈旧，都是服役20年以上的老设备，精度不够，很难解决锻件错差和充不满的问题。

针对以上问题，在模具结构上采取了以下4项措施：

⑴改变分模方向，解决出模难的问题（图11）。

⑵在镦粗工步增加定位型槽，解决坯料定位问题（图12）。

⑶采取直锁扣设计，解决锻件错差问题（图13）。

⑷增加预锻工步，解决锻件充不满的问题。

图11 改变分模方向

图12 在镦粗工步增加定位型槽

图13 采取直锁扣设计

为了很好地保证锻件错差小及防止模具啃坏，将精密模具上下锁扣设计为直锁扣结构，并且将其分块设计，如图14所示，既节省了模具材料，还提高了模具寿命，避免了模具壁厚不足且打击力大而引起的模具开裂。直接在模具最薄弱的位置，即锻件最大外圆处将模具分块，目的是为了避免生产时在缝隙中挤入金属。在模具配合位置提前设计出2mm高的直段，镶块与套过盈配合，单边过盈量为0.1～0.15mm，装配时压装。

图14 锁扣及镶块结构实例图

模拟软件在精密锻造工艺中的应用

锻造成形是现代制造业中的重要加工方法之一。锻造成形的制件有着其他加工方法难以达到的良好的力学性能。但目前锻造工艺和模具设计，大多仍采用生产调试和类比的传统方法，不仅费时而且锻件的质量和精度很难提高。随着有限元理论的成熟和计算机技术的飞速发展，用模拟软件进行锻压成形分析，并据此设计工艺和模具，已成为一种行之有效的手段。

Forge软件在精密锻造设计中的作用非常重要，可避免由于设计失误造成模具成本的提高，可清晰的看清设计模具的金属流动方向以及锻件是否充满和折叠，指导模具设计的顺利进行。模拟的指导原则是终锻先充满后出毛刺，这样就大大降低了模具的承压力，提高了模具的寿命。

普通锻造的锻造压力可按下列经验公式进行计算：

P＝（6.4～7.3）KF

式中 P—普通锻造的锻造压力（t）；

K—钢种系数；

F—包括飞边桥部在内的锻件投影面积（mm2）。

可见普通锻造所需的锻造力是由投影面积的大小决定的，而精密锻造的锻造力则取决于成形金属流动的先后次序和下料精度。如果在坯料下料精度能够保证且有模拟软件模拟的指导作用下，所需锻造力非常小。

如前面提到的突缘类锻件，用Forge模拟软件模拟普通锻造终锻变形力为18661kN。由于打击力超出了2000t锻压机的安全使用范围，因此我公司只能在3150t锻压机上生产。而采用精密锻造工艺后，模拟终锻变形力为12637kN，2000t锻压机即可满足要求，对设备、能源都有大幅节约。

为了提高设计的可靠性，对锻件的成形过程使用Forge软件进行模拟，以活塞裙锻件精密工艺的开发为例，这样复杂的锻件只有通过多次、反复的模拟，才能找到最优的成形方案，从而避免锻打折纹、充不满等缺陷的产生，确保锻件在生产调试时一次成功。

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