轴承套圈塔锻成形锻件表面缺陷控制方法的研究

2018-07-03王欢王煜彬吴敏浙江天马轴承有限公司

锻造与冲压 2018年13期

文／王欢，王煜彬，吴敏·浙江天马轴承有限公司

在现代制造业高效率、高精度、高寿命的大环境中，时间决定着金钱，质量保证着收益。如何能够更加高效，又不降低质量，还能降低成本的生产，是所有制造加工企业的发展方向。为跟随时代的步伐，某公司引进轴承套圈塔锻自动化生产设备，以提高部分型号轴承套圈锻造生产效率和质量精度。在生产实践过程中发现，塔锻锻件表面存在塌角、内陷、毛刺等缺陷，为了能够更好的解决塔锻锻件表面缺陷，需要对塔锻成形过程进行模拟，寻找锻件表面缺陷的控制方法，通过改变相关控制方法，来提高塔锻锻件表面质量。

塔锻锻件表面缺陷影响因素分析

塔锻锻件表面缺陷类型

图1是塔锻成形锻件的表面缺陷示意图。由图1可知，塔锻成形锻件表面缺陷主要有塌角、凹陷、毛刺三类。

塔锻锻件表面缺陷的影响

图1 塔锻成形锻件表面缺陷示意图

在轴承制造行业中，锻造工序为后序车加工留有一定余量，如锻件表面缺陷严重将导致在车加工工序根据工艺要求加工之后，实际加工件却未达到工艺要求，如塌角或凹陷过深，超过加工余量，车加工完成后表面仍有氧化皮未车掉；存在毛刺轻则降低加工效率，重则撞刀报废。

塔锻锻件表面缺陷形成原因

塔锻锻件表面缺陷形成原因主要有以下几类：⑴热锻成形过程中，为保证模具寿命和锻件顺利脱模，需经常为模具表面喷淋脱模剂，为模具提供润滑和冷却，因脱模剂大多为汽雾，这样不可避免的会在模具型腔表面残留。若残留脱模剂高温汽化未来得及排出，成形时挤压了锻件成形的空间，导致成形后锻件表面有凹陷和凹模型腔拐角处的塌角；⑵由于成形时下料重量欠缺，锻件没有完全依靠模具成形，部分仍处于自由态，导致锻件表面圆角塌角；⑶由于模具存在配合间隙，下料重量超重导致成形时发生溢料现象，在锻件表面形成毛刺。

塔锻成形过程仿真模拟分析

建立仿真实验模型

以NJ312E轴承套圈塔锻成形为例，通过CREO软件建立stl格式文件的实验模型，将其导入DEFORM-3D软件进行塔锻成形仿真模拟分析。通过锻造工步计算得到塔锻成形的料饼数据，料饼厚35mm，料径最大处φ104.5mm，料饼外圆弧近似半径R20.3mm，网格元素数目3500，锻件材料GCr15，锻件温度1180℃，环境温度20℃，模具温度200℃。塔锻成形开始阶段，模具与料饼接触情况如图2所示。

仿真结果的分析

在模拟成形过程中发现，成形时料饼受到模具挤压作用，料饼在模具型腔中流动变形如图3所示。

由于模具型腔存在拐角，金属在高温下受挤压流动时，中、下部塌角和凹陷仍开始形成如图4所示。这样很好地解释了锻件中部凹陷和塌角形成原因：热锻成形过程中，润滑剂不可避免的会在模具型腔表面残留。在塔锻成形时形成的这3处环带状封闭区域便成了容纳残余液体的场所，在高温环境中部分会汽化为水蒸气，如果来不及将水、汽排出，这3处环带状区域由于空间封闭形成高压区，占据模具型腔的部分空间，严重阻碍了金属在型腔中的流动，成形时金属无法贴合型腔，成形后最终导致这3处环带状封闭区域形成凹陷和塌角。

图2 塔锻成形开始阶段

图3 料饼流动变形过程

图4 成形过程中3处环带状封闭区域形成

锻件上端部分在成形过程中开始的大多数时间处于金属流动自由态，如图5所示。塔锻成形时模具运动接近封闭高度时对其产生挤压力，当下料重量欠缺，对自由态部分挤压力不足，导致锻件没有完全依靠模具成形，部分仍处于自由态，在成形后最终导致锻件上表面塌角如图6所示。

图5 锻件上端自由态部分

图6 成形后锻件自由态处形成塌角

当下料重量超重严重，导致成形时溢料，在锻件表面形成毛刺如图7所示。

图7 成形后锻件表面形成毛刺

塔锻锻件表面缺陷控制方法的分析

根据仿真分析结果得出：塔锻锻件表面缺陷的影响因素与缺陷关系如表1所示。

为此展开对塔锻锻件表面缺陷控制方法的研究：

⑴由下料重量引起的锻件表面上部塌角和毛刺的控制。

表1 影响因素与缺陷表

经过锻造工步计算将NJ312E轴承套圈塔锻下料重量偏差控制在-5g～+5g范围内，冷却剂的喷淋和模具结构不做改变。通过锯切下料将下料重量控制在-5g～+5g范围内进行实验，实际生产中效果明显，塔锻成形锻件表面上部塌角和毛刺均≤1mm×1mm，但中、下部塌角和凹陷仍较明显。通过生产实践证明通过控制下料重量，锻件上部的塌角和毛刺得到了很好的控制。

⑵由残留水汽引起的锻件表面中、下部塌角和凹陷的控制。

在上述方法的前提下，为了得到更好的水汽排出效果，通过对模具结构的设计，根据3处环带状封闭区域的位置，进行了a、b两种设计方案：

方案a：凹模拐角处设计8个均布的直径φ1mm排气孔，顶杆外圆开设8个均布的1mm深排气槽，成形上模拐角处设计8个均布的直径φ1mm排气孔，侧面开设导气孔，顶出环间隙在1mm，整体式凹模排气结构图如图8所示。

方案b：上模结构同图8，凹模重新设计为分体式，在分体式上模与下模接触面之间开设8个均布的宽4mm、深1mm的排气槽，分体式下模中部设4个均布的直径φ4mm导气孔，顶杆外圆开设8个均布的1mm深排气槽，分体式凹模排气结构图如图9所示。

通过实际生产的验证得出：①方案a效果较为明显，锻件表面中、下部塌角和凹陷虽有降低，但仍有部分存在，可能是排气效果不太明显；②方案b效果明显，锻件表面中、下部塌角和凹陷没有明显存在，但在实际生产中，分体式凹模结构强度较低容易开裂，成本升高；排气槽易有氧化皮和冷却剂残余进入堵塞，不便清理。故放弃方案b，选用方案a。

为了得到更好的效果，通过控制变量的方法对方案a进行如下4次实验：①将成形上模和成形凹模排气孔数量增加至10个，排气孔直径不变；②将成形上模和成形凹模排气孔数量增加至12个，排气孔直径不变；③将成形上模和成形凹模排气孔直径加大为φ1.5mm，排气孔数目不变；④将成形上模和成形凹模排气孔直径加大为φ2.0mm，排气孔数目不变。

通过实验结果分析得出：上述实验中锻件表面中、下部塌角和凹陷均有降低，其中实验②和实验④对锻件表面中、下部塌角和凹陷效果控制最好，但实验④锻件表面有明显的气孔印，实验③锻件表面没有，证明排气孔直径太大对锻件表面质量有影响。

综上所述，重新设计成形上模和成形凹模排气孔，若排气孔数目太多则模具结构强度受到影响，所以开设12个直径φ1.5mm、与模具中心轴线成30°角的排气孔，经过生产实践证明锻件表面中、下部塌角和凹陷控制效果最好。