半盲孔锻件收孔锻造工艺研究

王 文 王怡群 高全德 于乃勇 邱兴波

(中原特钢股份有限公司，河南459008)

随着科学技术的发展，用户对产品质量及性能的要求也越来越高。半盲孔件作为整体加工制造的产品，技术要求高，加工难度大，生产周期长，对相应的工艺设备以及锻造工艺参数要求严格，其锻造品质也直接影响到产品整体使用的可靠性。

生产过程中尽可能减少机械加工余量，降低原材料消耗和提高锻件内部质量是锻件锻造的核心问题。本文研究的半盲孔产品粗加工外形如图1所示，将以前锻成实心锻件或筒形件的工艺改成直接锻成半盲孔锻件。生产实践证明，该工艺切实可行，不仅节约了原材料，还提高了锻件质量。

图1 半盲孔锻件粗加工示意图Figure 1 Rough machining sketch of semi-blind hole forging

1 半盲孔锻件锻造工艺方案设计改进

1.1 传统工艺

半盲孔锻件材料为35CrMo1A，按传统锻造工艺设计，该产品将设计为实心棒类锻件或空心锻件。

锻制实心棒类锻件。锻件重量11.5 t，需采用15 t钢锭锻造；锻造容易实现，但筒壁性能相对较差；坯料浪费严重；机加工掏孔，且锻件越长，掏孔难度越大，加工工时延长，交货期延长。

锻制为如图2所示空心锻件。锻件重量9.5 t，需采用13.6 t的钢锭锻造。锻件壁厚大，锻坯余量大，锻造用芯棒也只能依据锻件小孔端尺寸和现有工装情况选用∅300 mm×4500 mm规格芯棒，造成锻件重、工装小、壁厚大、锻造难度增大的情况，并且使用小工装生产大锻件，存在安全隐患[1]。

图2 空心锻件Figure 2 Hollow forging

1.2 收孔工艺

此产品最初设计为空心锻件，按照传统工艺采用芯轴直接拔长。在31.5 MN油压机上锻造时，由于锻件内孔小、壁厚大，导致锻造难度大，并且加上设备能力、操作水平等问题无法保证传统工艺方案的要求，造成锻造时锻件两端严重凹心，无法正常生产。

为解决传统生产工艺带来的诸多问题，通过对工件形状、结构和工艺参数的分析，认为如果能直接锻造出半盲孔，则锻件毛坯重量可降低至7.6 t，采用钢锭重量约11 t，节约原材料，降低原材料成本。同时改善锻件内台阶相交处内部金属组织、金属流线，可使锻件在加工后尽可能保留连续的金属纤维组织，提高锻件耐疲劳性能，并延长使用寿命[2]。

由于此次是利用原始坯料生产，坯料重量较大，为保证一次锻造成功，工艺设计锻件两端均进行收孔，最终根据内孔缺陷情况确定半盲孔端，余料通过机加工去除，保证粗加工尺寸。其锻件图如图3所示。

图3 改进后的锻件图Figure 3 Forging drawing after improvement

此次半盲孔锻件采用模铸钢锭锻造，锻造变形过程由以下工序组成：1)错平锭尾，剁齐冒口；2)镦粗，镦粗比约2.2，击碎粗大的铸态组织，改善锻件内部质量；3)冲孔，采用实心冲子冲孔；4)扩孔，保证芯棒能够穿入拔长；5)芯棒拔长，为主要外形成形工序；6)立料镦粗，消除空心锻件端面不平整；7)收孔成型；8)精整表面[3]。

与传统工艺方案相比，改进方案要解决的主要问题有：收孔工艺操作较难控制，易出现收孔不到位，或收孔处内壁折叠严重等问题。此外，收孔前坯料的形状尺寸，收孔过程的锻造温度、压下量及旋转角度等也会影响收孔效果。

2 收孔工艺实施过程

2.1 主要工序

锻造工艺设计及说明见表1。

2.2 实心冲子扩孔

工艺改进后采用∅350 mm×4500 mm规格芯棒进行主变形工序，需对坯料进行扩孔，扩孔内径尺寸约∅350 mm。由于原工艺采用∅300 mm×4500 mm规格芯棒锻造，内孔直径小，且两端平整端面后内孔收缩，并且锻件重量大，若采用马杠扩孔容易造成马杠弯曲，工装损坏。经研究后决定采用实心冲子进行扩孔，根据生产现场情况选择合适的冲子，冲子表面不能有毛刺，扩孔过程选取最小规格冲子作为引冲，避免冲斜，多次扩孔后内孔直径扩至约∅350 mm，再进行芯棒拔长工序[4]。

表1 主要工序设计及说明Table 1 Design of main process and instruction

2.3 六方拔长

主变形芯棒拔长过程为保证拔长效果和拔长质量，选择上下平砧采用六方拔长方法，主变形拔长至相应直径和长度后，变形过程改为：六方→十二方→滚圆，滚圆采用上平砧、下V型砧变形。六方拔长很好的保证了拔长效果和拔长质量。

2.4 三次收孔成型

收孔过程采用3次收孔。第1次将芯棒末端(小端)退至锻件冒口端，先将冒口端带芯棒收孔，保证第1次收孔过程内壁不产生折叠，收孔后冒口端坯料与芯棒末端收紧抱死，操纵机能够通过夹持芯棒旋转移动锻件，同时冒口端外径留一定收孔余量；第2次对锭尾端进行收孔，锭尾端采用不穿芯棒直接收孔至成品尺寸；第3次去掉芯棒后锻件调头，操纵机夹持锭尾端对冒口端进行不带芯棒收孔(即冒口端第2次收孔)，冒口端直接收孔至成品尺寸。第2次、第3次收孔过程中注意控制压下量、旋转角度。压下量≤30 mm，旋转角度≤30°，同时收孔过程中随着内外径的减小，压下量和旋转角度也相应减小，避免旋转角度和压下量过大造成内壁产生较大缺陷，整个收孔过程锻工需随时关注内孔变形情况。

此次大尺寸收孔锻造半盲孔锻件(或称变截面内孔锻件)是我公司首次在生产中使用这种锻造方法。锻后实测尺寸如图4所示。

3 结论

(1)根据实际生产情况证明收孔工艺是可行的。且收孔工艺能够避免锻件过重，原材料浪费严重，拔长过程端面凹心等诸多问题。

(2)新工艺收孔过程容易造成内壁折叠，收孔过程需控制小压下量、小角度旋转。

(3)实心冲子扩孔容易划伤内壁，且连续扩孔过程会拉料至锻件端部，扩孔后需要烧剥处理。生产中需尽量避免采用连续实心冲子扩孔工艺。

图 4 锻后实测尺寸Figure 4 Actual dimension after forging

(4)此次采用∅350 mm规格芯棒拔长后收孔，收孔后锻件尺寸及表面质量满足加工要求，且余量较大。推断：芯棒拔长后收孔余量可以减小；该尺寸半盲孔采用∅400 mm或∅450 mm规格芯棒拔长后收孔的工艺具有一定的可行性。

[1] 运新兵. 金属塑性成型原理[M]. 北京：冶金工业出版社，2012.

[2] 张皓晔，马建平，彭忠. 工作缸锻造工艺的改进及数值模拟[J]. 热加工工艺，2008，37(19)：81-83.

[3] 高锦张. 塑性成形工艺与模具设计[M]. 北京：机械工业出版社，2011：250-259.

[4] 姚泽坤. 锻造工艺学[M]. 西安：西北工业大学出版社，1998：61-64。