半闭式模锻工艺的研究与应用

2020-02-19吴傲宗陆长青尹松森张屹第一拖拉机股份有限公司铸锻厂

锻造与冲压 2020年3期

文/吴傲宗，陆长青，尹松森，张屹·第一拖拉机股份有限公司铸锻厂

目前，随着汽车工业的飞速发展，与之配套的零部件锻造行业也在不停的增长，且锻件结构也趋于复杂化。但是，近年来锻造行业产能严重过剩，市场竞争压力非常巨大，各锻造企业只有降低制造成本，提升产品的成本优势和盈利空间才能提升企业的竞争能力和市场的适应能力。因此，加强工艺研究，实现工艺技术创新、工艺改进、加强新技术的消化吸收推广应用以降低制造成本的重要性显得更加迫切。

大部分锻件成本构成中材料成本约占锻件成本的40%～65%，提高材料成形利用率一直是锻件成形工艺研究的重要内容，也是降低工艺成本的最为有效的途径之一。目前我厂因设备因素，闭式模锻工艺的实施有着诸多局限性，现基本上以开式模锻工艺为主，这就促使我们进行半闭式模锻工艺的研究和应用。半闭式模锻工艺具有明显的技术经济效益，对我厂来说是完全陌生而又充满足够诱惑的新工艺，在如今的市场竞争形态下，半闭式模锻工艺成为了我厂降低工艺成本的一个新的支点。

模锻工艺介绍

开式模锻

模具型槽周边开放，具有桥部和仓部的飞边槽结构，模锻成形时多余金属形成飞边，如图1所示。其中桥部的作用为：在锻打过程中，随着上下模间距离的减小，坯料在模具的作用下发生变形，部分金属挤出模具型槽，桥部对金属外流形成阻力，迫使金属充填型槽以使金属成形。

闭式模锻

闭式模锻又称为无飞边模锻，如图2所示。坯料在四周封闭的模膛中成形，不产生横向飞边，闭式模锻已广泛应用于轴对称锻件。但闭式工艺的诸多局限性限制了其应用范围。因无飞边的形成，相对开式模锻工艺节约材料10%～30%。

半闭式模锻

闭式工艺的诸多局限性限制了其应用范围，为了进一步扩展其应用，半闭式模锻工艺应运而生，半闭式模锻是介于开式模锻与闭式模锻之间的一种新的模锻工艺，这种复合结构形式的模锻工艺，具有开式模锻易于排出多余金属，便于成形复杂结构锻件的优点，又有闭式模锻增大挤压成形能力，易于成形狭深结构的优点，具有明显的节材效果和提高模锻过程中坯料的填充性能，相对开式模锻工艺节材5%～15%，能有效降低制造成本，带来显著的技术经济效益。

半闭式工艺的研究与分析

既然半闭式模锻工艺有着显著的节材效果，那么为什么不全部使用半闭式模锻工艺？或新开发的产品全部采用半闭式工艺？我们使用Deform模拟分析软件对同一个零件，分别就锻打成形力（图3、图4）、模具应力（图5、图6）及模具磨损（图7、图8）等三方面进行分析对比。

从以上的分析看，使用半闭式模锻工艺，锻打成形力会增大1.4倍，因成形力的增大，同时所分析处的模具应力增大了1.3倍，模具磨损增大了4.5倍。在节材和提高成形能力的前提下，降低半闭式模锻的成形力是工艺研究的首要内容。如果没有充分的工艺分析和研究而冒然尝试的话，当半闭式结构参数确定不当时，对于锻压机生产设备极易发生过载闭车事故，对于模锻锤会因成形力过大而无法打靠，锻打次数增多，锻件厚度超差，对于以上两类模锻设备易出现模具过早磨损严重和出现裂纹而失效，严重降低模具寿命。充分的分析和研究是半闭式工艺有效和可靠实施的关键。因此，我们需要从以下方面进行研究分析。

⑴工艺设备的选择。

半闭式模具结构相对于开式结构具有提前形成金属的外排阻力及明显增大金属外排阻力的特点。当计算毛坯确定不当及半闭式结构参数值不当时，成形力会有很大的增加，对于工艺的研究和试验阶段存在这种可能性很大。不适宜选择锻压机做研究阶段的试验，易发生设备过载闭车事故。考虑成形设备的负荷能力和调试验证时载荷变化的适应能力，选择不定行程的模锻锤工艺设备更为适宜，且模锻锤目前仍是我厂生产的主力设备，更具有以点代面性。当工艺成熟时具有更大的推广面，同时又具有向锻压机设备迁移的延伸性。

⑵工艺分析和研究的主要内容。

主要分析和研究半闭模具结构的适宜部位、参数值对坯料成形填充性、成形力、模具磨损、模具寿命的影响及合理的确定参数值的方法。

⑶研究和验证方法。

结合开式模锻工艺的相关理论，以有限元虚拟成形技术为主要手段，对主要研究内容进行相关研究，避免以实物方式进行研究的低效和高成本，可大大减少实物方式的试验和修模次数，加快项目的实施进度。以充分的虚拟成形分析和研究为基础，确定合理的结构参数，最终以实物的方式进行验证和修正。

半闭式模锻工艺的实施与验证

目标产品的选择

根据我厂的生产实际，我们选择10t模锻锤生产的A四缸曲轴和16t模锻锤生产的B六缸曲轴为研究和实施目标。A曲轴所需成形力为10t,当半闭式结构参数确定相对所用的成形设备不当时就会因成形力的增大过多产生锻件欠压而引起厚度超差等问题，可有效验证所确定的半闭式结构参数的适应性和结构的有效性。B曲轴因需扭拐成形工艺选择了16t模锻锤成形，其实际所需模锻成形力10t即可，当改为半闭式模锻工艺后即使成形力有较大的增加也可以将锻件打靠。可有效验证所确定的半闭式结构参数对模具寿命的影响程度。

结构参数的研究

半闭式结构形式和主要参数，如图9所示，其中b值由H值确定，h可参照开式工艺的桥部参数，那么余下的参数为t和H，也是半闭式工艺的最重要的参数和研究对象。研究方法为结合实际用料、形成飞边的大小和锤上模锻的特点分别初始t值和H值，然后以其一为定值，另一为变量，以有限元虚拟成形技术研究变量对成形力、模具应力和模具磨损的影响。以最小二乘法进行三阶曲线拟合，依据曲线走势和数值及结合相关因素收缩最佳t和H的取值范围，以确定的t和H再次虚拟成形分析，对t和H取值进行微调。最终以确定的参数值进行模具设计和工艺验证。图10为曲轴某一部分应用半闭式结构研究阶段中的部分数据图示。

A曲轴半闭式模锻工艺验证

原开式模锻工艺坯料规格φ140mm×660mm，改为半闭式模锻工艺后用料为φ135mm×660mm，单件节材5.6kg，降低用料消耗7.7%，图11和图12为半闭式工艺实施前后的开式与半闭式模具图。图13为实际验证中存在锻件欠压现象后对模具半闭式结构参数值依实际情况进行修正。图14和图15为开式与半闭式模锻工艺形成飞边，从图15中的飞边可以看出半闭式模锻工艺具有明显的节材优势。此锻件半闭式模锻工艺经过多次批量生产，无因半闭式模锻工艺带来的成形缺陷，且模具寿命与开式模锻工艺相当，达到了半闭式模锻工艺合理的预期。

B曲轴半闭式模锻工艺验证

此锻件原开式模锻工艺用料规格为φ140mm×790mm，用料直径偏小，但选大一规格的用料又存在利用率不高造成材料浪费的情况。在用φ140mm规格料生产过程中，存在高达82%平衡块充不满问题，经对开式模锻工艺模具参数的改进后，平衡块充不满比例仍近50%。此锻件需面临两种改进途径的选择，其一加大用料直径为φ145mm，这样一来，材料相比原用料增加6.9kg，增加比例为7.2%；其二原工艺用料规格不变，选择新的模锻工艺解决平衡块充不满问题。从降低工艺成本的角度出发，我们选择了半闭式模锻工艺，工艺的目标定为平衡块充不满比例小于5%。图16和图17为开式与半闭式模锻工艺生产锻件的对照，因半闭式结构参数确定适当，在模锻打击次数未增加的情况下平衡块充不满比例已降至5%以下，完全达到了预期目的。