U形锻件的成形工艺研究与应用

文/张国宏，杨钊，吴傲宗，夏占雪·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

U形锻件的成形工艺研究与应用

文/张国宏，杨钊，吴傲宗，夏占雪·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

张国宏，助理工程师，主要从事锻件工艺开发及模具设计，现场工艺服务，锻件三维造型以及DEFORM模拟分析等工作。

近年来，随着各种成本如人力、材料、加工等的不断上涨，导致锻件的利润空间越来越小，企业盈利空间越来越小，企业生存越来越困难。如何降低各种成本、提高盈利空间成为现今企业的头等大事，作为锻造专业技术人员，在锻件开发中考虑降低锻件生产成本尤为重要。

图1所示的右提升杆连接叉是拖拉机重要性能零件，连接各种农机具，形状较为复杂，在锻造成形时必须保证性能要求，零件整体机加工较少。因此，锻造成形工艺直接影响机加工效率和零件成本。

成形工艺分析

第一种为图2所示的零件直接锻造成形。其工艺过程为下料→加热→模锻→切边→热处理→机加工。直接锻造成形工艺的优点是锻件设计简单，模具结构设计简单，锻造成形工艺较好，锻件质量较好控制；缺点是锻件质量较重，机加工余量较多和加工时间较长。

图1 右提升杆连接叉

图2 直接锻造成形工艺

第二种为零件经过锻造成中间坯，切边后再弯曲成形。其工艺过程为下料→加热→弯曲→终锻→切边→弯曲→热校正→热处理→机加工。其工艺成形的优点是锻件机械加工余量较少，机加工时间较短，生产成本较低，生产效率提高；缺点是锻件设计较为复杂，模具数量较多，成形工艺一般，锻件质量较难控制，主要是两腹板的高度差较难控制、头部弯曲影响后续机加工和腹板开口尺寸较难控制等。

经过两种工艺方案对比发现，虽然第一种工艺方案较为简单，但锻件机加工余量较多，机加工时间较长，生产效率较低等缺陷制约着零件的大批量生产；第二种工艺方案虽然加工步骤较多，但锻件机加工余量较少，机加工时间较短，生产效率较高，锻件成本较低，是比较好的成形工艺方案。因此，选择第二种成形工艺方案进行锻件及模具结构设计。

模具弯曲工艺分析

弯曲成形工艺精度较低，且具有弹性回弹现象。保证弯曲后锻件从模具中取出较为容易，弯曲时不能一次弯曲到位，而是由后续工序保证叉口尺寸合格。

图3所示的为刚性弯曲模弯曲工艺。模具结构简单，由弯曲冲头和弯曲模组成，制造简单，生产效率和后期维护较为简单，但弯曲角度较难控制，锻件容易产生左右变形等缺陷；左右变形缺陷可由弯曲后的热校正工序加以校正，弯曲角度可由热处理后油压机校正保证合格。

图3 刚性弯曲模弯曲工艺

图4所示的为柔性弯曲模弯曲工艺。模具结构较复杂，由弯曲冲头、弯曲旋转模、旋转销和支承座组成，模具制造安装较为复杂，模具磨损后维护较为困难。由于弯曲旋转模会在冲头带动下旋转，弯曲旋转模的导向槽和锻件弯曲时保持一致，因此能保证锻件上下两腹板的尺寸要求。

图4 柔性弯曲模弯曲工艺

模具运动原理为：在冲头下落的过程中，冲头和坯料接触，在摩擦力的带动下弯曲旋转模旋转。此时坯料在旋转模旋转力和冲头压力的共同作用下弯曲成形，旋转模的导向槽和锻件在弯曲过程中保持一致，这样保证锻件弯曲时不会产生左右变形。经过模拟分析得知，这种模具结构靠摩擦力带动旋转模旋转从而完成弯曲工序，现实中较难实现。这个也受设备精度和模具导向精度影响，考虑摩擦力改进成齿轮啮合旋转，这样模具结构很复杂，后期模具维护困难。

计算机成形模拟分析。计算机辅助工程（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加以避免。因此采用基于3D有限元模拟软件对工艺技术进行分析，缩短锻件的研发时间和模具设计过程，锻件调试一次便成功了，大大提高了成功率，显著缩短了提交样品的时间。

利用锻造过程有限元模拟分析软件DEFORM对弯曲过程进行模拟分析，刚性弯曲模能够较好地完成弯曲工序。模拟分析能清晰的看到整个弯曲过程中锻件是如何被弯曲成形的，并且能分步观察整个弯曲变形过程，便于分析发现问题。比如弯曲前期在冲头的作用下坯料随着下行，腹板上翘；继续弯曲，腹板根部变薄产生塑性变形，腹板开始合拢并紧靠在冲头两侧，直至弯曲过程结束。模拟结果如图5所示。

图5 模拟锻件成品图

工艺生产验证

经过以上分析，确定零件生产工艺路线为：下料→加热→弯曲→终锻→切边→弯曲→热校正→热处理→清理→冷校正→入库。调试后对零件进行全尺寸划线检查，锻件尺寸较好地满足零件加工尺寸。但如果锻件出现两腹板高度差较大，叉口尺寸较难控制等问题，对零件工艺生产过程进行分析，在弯曲后增加一个热校正工序能较好的保证两腹板的高度差和叉口尺寸在合格范围内，锻件成品如图6所示。

图6 锻件成品图

结束语

直接锻造成形的锻件质量为7.9kg，而经过弯曲成形的锻件质量为3.8kg，锻件质量减轻了4.1kg；机加工时间减少了2h。因此，节省了原材料和缩短了机加工时间，减少了生产成本，提高了工作效率。此U形零件的成功开发，给其他特殊形状零件以后的开发提供了很好的借鉴作用，也积累了大量设计经验。U形锻件成功生产，也符合现在政府倡导的绿色经济、绿色锻造，提高材料利用率，降低锻件成本，缩短锻件机加工时间，为拖拉机新产品尽快投入市场奠定了良好的制造基础。