E形前臂轴锻件成形工艺优化与提高

文/杨钊，张国宏，吕阳峰，夏占雪·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

E形前臂轴锻件成形工艺优化与提高

文/杨钊，张国宏，吕阳峰，夏占雪·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

杨钊，助理工程师，主要从事锻件工艺开发及模具设计，三维造型以及现场服务等工作。

随着现代锻造行业的发展，锻造行业的竞争日益激烈，如何提高锻件质量、缩短零件生产周期及降低生产成本成为企业能否立足市场的关键因素，作为锻件设计开发人员，只有不断地对锻造工艺进行优化，才能使得产品更加符合客户要求，同时不断降低生产成本。

E形前臂轴锻件是第一拖拉机股份有限公司锻造厂（以下简称锻造厂）为CAT挖掘机上开发的一种关键零部件，结构形状复杂，锻造工艺性较差。该产品原来是焊接结构件，客户在进行产品结构优化后采用锻造工艺生产，因此成形难度非常大，E形前臂轴锻件如图1所示。经过前期工艺分析我厂2007年底完成了首次样件试制开发，后来由于工艺的稳定性较差，产品质量不稳定等因素，分别在2008年和2011年进行了两次大的工艺改进，通过改进工艺，取得了较好的效果，目前该产品已经实现了大批量生产，最终得到了客户的认可。

图1 E形前轴臂锻件

原工艺分析

首次工艺方案

经过对产品进行结构以及锻造工艺分析，初步确认该产品需要在8t以上的压机设备上锻造，结合我厂现有设备特点，最终确定在10t模锻锤上进行生产，锻模剖视图如图2所示。考虑到产品结构差异较大，导致锻造过程中材料分配差异较大的特点，专门设计了具有弯曲功能的型槽，最终的生产工艺方案包括：下料→加热→弯曲→终锻→切边→热处理→喷丸→防锈→机加工→包装防锈→入库。

主要存在的问题

工艺方案确定后，按照计划节点进行了工装模具的设计和制造，并进行了首次样件试制，从现场调试过程中发现的主要问题有：设计时考虑到锻件形状复杂、材料分配差异大和去除氧化皮等需要，所以在终锻前进行了弯曲工序，但是在实际生产中，由于弯曲型槽和锻模之间局部落差较大，导致上模弯曲型槽部分强度不足；由于弯曲型槽设计不合理，导致弯曲后在终锻型槽中不易定位，锻打时造成锻件部分充不满严重，从而导致锻件废品率较高；前期工艺分析过程中对锻件的功能性理解不足，造成锻件局部余量过大，后续机加工效率很低；前期未考虑校正工序，部分锻件局部弯曲，尺寸不能满足后续机加工需要；锻件材料利用率较低，成本较高。

由于样件试制周期较长，首次调试中出现的问题没有进行及时的改进，到二次小批量锻打时，模具的上模在弯曲型槽部位出现了断裂，最终导致模具报废，该套模具一共仅仅生产了不到500件。

图2 锻模剖视图

工艺方案分析

第一次工艺改进

由于出现上述问题，客户又急需该产品，故我厂技术人员在原有工艺的基础上对该工艺进行了局部修订，主要从模具断裂问题着手，分析出弯曲型槽落差过大造成模具局部强度不足，导致锻造过程中模具断裂。因此，确定的修改方案是改进弯曲型槽，将弯曲工步改为卡压工步，改进后，上模结构得到了很大的改善，模具强度得到了提高，经过生产工艺验证，可以满足批量生产。改进后的卡压工步如图3所示，模具结构如图4所示。

从首次修改过程来看，虽然改进了模具结构，但是，在后续生产过程中仍旧会出现工人锻打定位较差、锻件废品率高、锻件局部弯曲、后续机加工效率低等问题。由于前期该产品客户需求量较小，上述问题在后续生产中一直存在。

图3 改进后的B-B卡压工步

图4 改进后的模具

二次工艺改进

随着产品订单的不断增加，由于工艺问题的存在，逐渐影响到该产品的交付时间。为了进一步提高生产效率，更好地满足客户对产品质量、交付时间及生产成本等的要求，针对前期生产中存在的问题，我厂工艺人员对E形前臂轴锻件从以下几个方面进行了工艺优化。

⑴重新设计锤上模锻工艺。将E形前臂轴锻件的锻造工步由卡压→终锻改为直接终锻，上下模进行互换，由原三个锁扣增加为四个锁扣，同时将锻件局部分形面进行改进，主要目的是为了降低操作难度，提高坯料在锻模中的定位准确度，减小锻件充不满的可能，从而降低了锻件的废品率，进一步提高了锻件的质量。

⑵增加热校正工序。保证切边后锻件小头落差尺寸合格，满足后续机加工的需要，提高产品的合格率。

⑶针对后续机加工余量大的情况，通过跟踪锻件机加工流程，分析梳理出容易加工的地方，减少该部位的加工余量，设计E形前臂轴锻件小余量锻件图。通过本次小余量改进，缩短了后续机加工工时，提高了机加工效率。

⑷锻造成形模拟分析。为了进一步降低生产成本，提高工艺的合理性，避免原工艺问题的再次出现，对该改进方案采用DEFORM软件进行了成形过程模拟分析。通过CAE过程模拟分析能较准确的发现锻件在成形过程中出现的各种问题，如拐角处折纹、充满度、毛边大小等。经过分析可以精确计算坯料大小，提高材料利用率；锻件成形过程中出现的折纹等缺陷也能在模具设计过程中通过改变模具相应部位圆角进行模拟，从而最终确定合适的圆角尺寸避免产生折叠。通过分析模拟结果（如图5所示），对锻模局部结构又进行了进一步的改进，同时将原工艺用料由φ140mm改为φ135mm，提高了材料利用率，进一步降低了生产成本。

工艺生产验证

经过反复工艺修订以及计算机仿真模拟分析，根据模拟情况对锻模结构进行了整体的优化处理；局部圆角进行了加大处理；锻模桥部厚度和桥部的宽度进行分段处理，保证锻件能够全部充满，最终将修订后的方案在新投入的模块上进行了加工制造，并顺利完成了生产调试。从现场调试情况看，第二次的工艺优化方案非常理想，完全达到了预期的目的，工艺改进前后生产的锻件如图6所示。

在锻打方面，由于增加了四角锁扣，生产班组中基本不需要调整错移，取消卡压工序后，坯料的摆放比较容易实现，不再出现位置不固定的现象，班组生产效率大大提高，班组产量最高达到400件，是原来的2倍以上。

图6 工艺改进前后锻件结构

在锻件质量方面，由于锻打的稳定性得到了提高，锻件充不满情况不再出现，增加了校正工序以后，锻件的尺寸也得到保证，从而也极大地降低了由于锻件变形导致后续加工过程中产生废品的数量。同时，由于原来锻件需要机加的局部位置采用了锻造直接成形，缩短了机加工的周期，所以这也进一步提高了机加工效率。工艺改进前后锻件机加工余量如图7所示。

图7 工艺改进前后锻件机加工余量

图8 工艺改进前后产生的飞边

在成本控制方面，通过采用φ135mm规格的坯料进行生产，在保证锻件质量的前提下，每件锻件节约原材料4.4kg，再考虑锻件余量减小后，锻件重量较原来减轻4kg，每件锻件产品降低生产成本约30元。工艺改进前后产生的飞边，如图8所示。

结束语

通过对该产品进行多次工艺改进，最终达到了提高产品质量，降低生产成本，缩短零件生产周期的目的，也保证了产品的交付时间，在工艺改进过程中，不仅仅是提高了锻造工艺水平，更为重要的是改进了产品的机加工工艺，通过分析产品装配要求，对拐角处只需保证装配不干涉的部位在切边过程中直接切出，取消了部分机加工工序。这次工艺改进取得了不小的成绩，希望工艺设计人员在锻件的设计过程中要更多的和后续机加工工艺紧密结合在一起，在满足客户要求的前提下，以最小的生产成本生产出质量最好的产品。