工字型类锻件拼分模工艺的研究与应用

文／张文博，黄贵林，祁易·中车资阳机车有限公司

工字型类锻件是石油钻采行业中井口装置、采油树及节流、压井等设备中比较常用的零件之一，市场需求较大。该类锻件外形具有以下特点：两端法兰盘与中间圆柱同轴、法兰盘与中间连接圆柱体直径相差大。

锻造工艺的现状与分析

工字型锻件目前常用的生产工艺为：

⑴以该产品法兰盘直径的粗加工尺寸为基准，在此基础上放加工量直接锻造成大圆柱体锻件，然后采用机加工的方式成形；

⑵在上述生产工艺中增加对中间小圆柱部分进行象征性拔长工序成形。

但是上述两种生产工艺均存在以下不足：1)原材料利用率低，极端情况下不到50%（以本文所研究产品为例，采用以上生产工艺（直接自由锻）原材料利用率最高仅为74%）；2)部分尺寸加工余量极大，加工费用高，致使生产成本高、产品盈利能力弱；3)生产周期长，客户满意率低。

本文主要研究工字型类锻件的拼分模工艺，突破传统生产工艺的局限，避免上述问题的出现，以降低生产成本、适应市场节奏，增加市场竞争力为最终目标。本文中着重从此类锻件的外形出发，设计拼分模，采用胎模锻工艺生产，达到模锻件的尺寸精度。

工字型类锻件工艺流程

由于此类锻件以中小批量为主，采用模锻工艺生产，工装投入过多且生产成本较大，难以提升市场竞争力，故综合分析考虑，研究拼分模生产工艺，可同时具有模锻产品的精度与胎模锻生产中多品种小批量的双重优势。具体工艺流程图如图1 所示。

锻件设计

此次新开发的工字型类零件质量101.96kg，锻件质量154kg，按模锻的工艺计算方式：复杂系数S=0.53，在自由锻件工艺当中已经属于复杂类锻件，对拼分模的设计提出了更高的要求。

根据用户提供的零件图，依据新的工艺方案，绘制出锻件图，接近于模锻件工艺余量，产品尺寸精度高，零件图和锻件图如图2 所示。

锻造工艺方案制定

锻造工序生产工艺方案为：对坯料先进行拔长后用胎模镦粗成形一端法兰盘，然后利用拼分镶块及外套筒模组合拼分模镦粗成形另一端法兰盘。采用此锻造工艺，第一道镦粗工序相当于第二次镦粗成形工序的出坯工序，可以很好的控制锻件偏心问题及坯料尺寸精度。

经过计算，在最后一道用拼分模锻造成形时，锻件质量及拼分模质量合计超过600kg，锻造设备选用3t 自由锻锤。

模具设计

胎模、拼分镶块及套筒模设计依据

胎模的设计依据：冷锻件图→热锻件→胎模。热锻件尺寸计算如公式（1）。

式中：Lt为终锻温度时的锻件尺寸（mm）；

L 为冷态时锻件的尺寸（mm）；

α 为材料线膨胀系数（1/℃）；

t 为终锻温度（℃）。

对于石油行业锻件材料（主要为：AISI4130、410SS）来说，始锻温度一般取为1150℃，终锻温度≥860℃，对于此锻件锻造操作过程相对较长，终锻温度较低，冷缩率适当减小，通常取为1.2%～1.4%。

拼分镶块的设计参照胎模设计流程，在设计过程中着重考虑与套筒模装配问题，避免组装不起或难以组装的情况发生。

胎模及拼分模设计

根据既定锻造生产工艺方案，结合胎模设计要素，设计出胎模（图3）、拼分镶块（图4）及套筒模（图5）。

图3 所示为第一道镦粗胎模，设计之初需要精确计算锻件的下料重量，否则镦粗后，后面拼分模自由锻将存在充不满的情况。

图4 所示为拼分镶块，在设计时必须考虑到拼分镶块在锻件成形后位于锻件中间圆柱部位，为便于取出，在拼分模接口位置做出斜槽，以便锻后拼分镶块取下。同时进行局部优化设计，与法兰盘内侧接触端面设计斜度10°，内侧倒角R20mm，外侧与第二道镦粗套筒模接触部分倒角R15mm，模具外侧整体斜度与图3 所示镦粗胎模内型腔斜度一致，且直径单边减少1mm 便于放入图5 所示套筒模型腔。

图5 所示套筒模为保证镦粗后法兰盘尺寸，a2、a3 尺寸设计为热锻件尺寸，型腔斜度自由过渡。图6所示为拼分镶块及套筒模组合成的拼分模。

组合胎模在3TZ 上进行锻造，锻造过程中承受力量极大，故在设计过程中，对套筒模壁厚整体进行加厚设计。

总结

经过实际小批量生产验证，拼分模锻造工艺方案可行且取得了成功，具备批量生产的工艺保障能力。本文中，采用新工艺方法生产工字型锻件，比直接自由锻节约原材料23%，新方案生产工字型锻件达到工艺目标值，锻件工艺水平与模锻相当，原材料消耗与模锻或直接自由锻相比，节约原材料20%～40%，生产成本更低，工艺灵活性更好。