安装法兰锻造工艺及模具设计

孙建华

安装法兰是工程机械液压缸关键受力部件，必须具有较好的综合力学性能，才能满足工程作业过程中的很大负荷，否则，作业过程中一旦出现质量问题，将造成很大安全事故及不可估量的经济损失。经分析，采用模锻件制造该产品是比较合理的选择。

1.产品特性分析

产品零件如图1所示，材质为35钢。为便于分析，把该产品分为上下两部分，上半部分称为头部，下半部分称为颈部。头部为扁平长方形，特点是面积大、厚度很薄；颈部为圆筒形状，特点是孔大、颈高、壁薄。根据产品特性分析，可看出该产品锻造难度较大。

2.锻造工艺性分析

（1）常规锻造工艺设计 根据该产品特性，其最大截面在头部，所以分模线位置选取在头部厚度尺寸38mm的中心位置是比较合理的，锻件如图2所示。由于颈部壁薄，内孔大且深，成形难度较大，所以颈部放在上模。上模型腔窄且深，如图2中A部位，成形较困难。

为保证锻件饱满成形及顺利出模，应尽量减小上模凸台高度尺寸，所以内孔设计为盲孔；法兰头部设计在下模，为了放料稳定，下模内孔凸台也尽量设计低一点，不要超过分模线；为能顺利脱模，上模内外拔模斜度都稍大一些，内斜度为10°，外斜度为5°。

锻造工艺流程：下料→加热（天然气加热炉）→镦粗（10kN空气锤）→成形（25MN摩擦压力机）→切边（3150kN切边压力机）。

按照常规设计，锻件净重约43kg，从图2中可以看出，由于没有冲孔，中间连皮很厚，同时由于拔模斜度较大，锻件不但要消耗很大一部分材料，且给后续机加工带来很大困难，这样就大幅增加了产品制造成本。

（2）复合挤压工艺设计 为减轻锻件重量，结合我公司具体设备条件，经分析，决定采用复合挤压工艺对锻件进行改进，如图3所示。

经改进的锻件属于高毂深孔复杂锻件。头部厚度与最大尺寸比为0.13（＜0.2）；颈部为薄壁圆筒形，因此该锻件为复杂件，复杂系数S4，锻造难度较大。

图1 产品零件

图2 锻件常规设计

该产品难度主要是颈部成形，分模线选取在法兰头部尺寸38mm的中心位置，颈部放在下模，法兰上半部分在上模；为保证颈部成形饱满，下模内孔凸台取40mm；如果此尺寸太小，上冲头凸出部分相应就要高一些，反挤深度就会加大，这样会加大成形难度，经综合考虑，上模冲头凸出部分高度设计为113mm。

为了既保证锻件能从下模顺利脱模，又能保证锻造时锻件和下模之间有一定的摩擦力，阻止冲头拔出时，锻件不会和冲头一起被拔出来，保证锻件不会粘在冲头上，颈部外斜度取2°，内斜度取5°。内孔设计时，为了减小由于毛坯上表面不平带来的侧滑力，底部设计一φ100mm圆台；另外，为了保证锻造时冲头底部金属向上流动通畅，避免造成内孔折叠缺陷，在φ100mm向外设计成30°向上斜角，同时内孔底部圆角加大。

该锻件下料采用φ150mm材料。下料重量为35kg，毛坯尺寸为φ210mm×125mm。

锻造工艺流程：下料→加热（天然气加热炉）→镦粗（1t空气锤）→成形（25MN摩擦压力机）→冲孔（3150kN切边压力机）→切边（3150kN切边压力机）。

3.模具设计

锻模结构设计如图4所示，模架为矩形组合式，采用导柱导向。锻模采用圆形镶块结构，采用斜楔紧固。由于锻件在下模部分深度较深，出模较困难，因此采用下顶料。上模冲头由于锻打时受力状况较恶劣，磨损很严重，需经常修理，因此采用组合式结构，当冲头磨损严重时，可快速更换，这样既节省换模时间，实现快速换模，提高生产效率，又可大幅延长模具寿命，降低模具费用。

4.锻造过程注意事项

锻造过程中，应注意：

（1）在坯料镦粗过程中，应尽量使上、下两端面平整，否则，挤压过程中，与端面接触的表面会使冲头产生侧向力，从而使冲头受力状况更加恶劣。

（2）挤压前，一定要把氧化皮清理干净，否则，由于下面型腔很深且局部很窄，氧化皮会聚集在下面根部很难清理出来，同时由于氧化皮聚集在底部，会造成高度方向加工余量不足而产生废品。

（3）挤压时，先要在坯料上平面心部撒一些木屑，木屑燃烧时会在坯料和冲头间产生气体，帮助冲头和锻件顺利脱离，否则锻件会因向上流动的金属温度降低而紧紧抱住冲头，结果造成冲头迅速升温而报废。

5.结语

安装法兰锻件采用复合挤压成形，和常规模锻设计相比，单件节省材料27.9%达12kg，批量生产可节约大量钢材；同时由于锻件加工余量小，机加工工时大幅降低，生产效率大幅提高，产品成本综合成本降低30%以上，取得了较大经济效益。

图3 锻件改进设计

图4 模具结构