中心管的胎模锻新工艺研究与应用

2020-07-02王金鹏李大乔宝鸡石油机械有限责任公司热工分公司

锻造与冲压 2020年11期

文/王金鹏，李大乔·宝鸡石油机械有限责任公司热工分公司

针对大变径轴类锻件自由锻时，材料浪费严重的问题，设计了用于中心管的闭式胎模并制定了相关工艺参数，使用有限元模拟软件对金属充填过程进行了仿真。针对产品杆部不易充填饱满的情况，采用在模具两端镦挤的方法，通过制坯+一次胎模锻成形的方法，使用两火次成功锻造出了符合要求的中心管产品。

中心管属于大变径轴类锻件，我公司一直采用自由锻拔长各台阶成形，但由于产品端头和大台外径尺寸差异较大，拔长时需要多处添加余块，造成材料的巨大浪费。对此类大变径轴类锻件，有使用模具内局部成形大台——自由锻拔长杆部的方法，但产品表面质量欠佳，而且，对截面相差较大的产品，若使用原材料较细，则镦粗成形大台时容易失稳引起折叠缺陷；若使用原材料较粗，在后续拔长杆部时，常常导致杆部与大台不同轴，而造成产品报废。为了解决中心管在生产中存在的材料浪费、截面不同轴等问题，我们对中心管的胎模锻工艺展开了研究，以实现一次胎模锻成形。

工艺设计

工艺成形分析

要实现胎模内成形中心管外形，便于金属填充及方便脱模，应尽可能使用锥度覆盖零件轮廓上的台阶。据此，可初步设计出毛坯的锻件图，如图1 所示（虚线表示零件轮廓）。由于产品相邻截面积比达到7，材料分配不均匀性极大，故在终锻前应有制坯工序。

模具方案确定

从金属充填难易程度的角度考虑，若分模面设置在通过产品轴线的平面，则承击面较大，需要的设备成形力较大；若分模面设置在大台端面，则有助于减小锻造成形力，但由于产品杆部的高径比达3.2，受摩擦力影响，模具下端的坯料不易变形。从模具制造成本及高效生产方面考虑，分模面设置在大台端面时，模具整体为轴对称零件，生产制造简单，且易于实现高效生产。综合以上两方面，选用垂直分模，模具图如图2 所示。

模具由两部分组成，下模成形大台及杆部；上模成形端头，且上模外径尺寸与下模大台部位相配合。锻造时，上模夹持端头，在下模内下压，大台部位的材料发生局部镦粗，端头和杆部的材料向模腔充填，金属在封闭式胎模内成形，模具自身的导向保证了相邻截面的轴线同轴。锻造压实后直接脱模，省去了切边工序。

制坯工艺参数设计

终锻工序完成大台的成形及端头、杆部的充填任务，坯料制坯主要实现材料在各部位的初次分配。为保证端头及杆部的锥度区域完整充填，将坯料制成多台阶状。由于终锻工序大台的变形量较大，为避免大台两端面出现折叠缺陷，应使端头及杆部的坯料分配准确，且各部位的坯料不宜过高。同时，外径尺寸不宜大于相对应的模具内腔尺寸，否则，由于坯料与模具的摩擦力作用将导致坯料无法落实到位。根据锻件图计算出坯料的重量约800kg，为避免终锻时大台处高径比太大而失稳，原材料选用φ350mm 圆钢，制坯尺寸如图3 所示。

有限元模拟

为明确成形过程，确定大台及杆部成形规律，我们使用相关软件做有限元分析，过程模拟的典型步骤如图4 所示。为模拟实际自由锻开坯过程中杆部的不光滑表面，我们把杆部实体做成八角形，以便直观反映杆部充填情况。

从图4 可以看出，坯料充填顺序是先大台，再杆部，这与实践经验相一致。从充填过程来看，在第346 步时，大台及根部完全充满；在第384 步时，杆部完全充满。从所需成形力变化情况来看，在第306步以前，压力平缓增加，且大台成鼓形，外圆面已接触模具型腔；在第306 步以后，压力急剧增加，到第346 步时，压力已接近5000t，第384 步时，需要的压力为6400t，已远远超过我公司50MN 压机的能力范围。从模具受力情况来看，在第346 步以后，模具所受的压力急剧增加。在实际锻造生产中，模具受力情况复杂，工作环境恶劣，终锻力的急剧升高不利于提高模具和机器的使用寿命。综合压力变化对产品成形及模具寿命的影响，要实现中心管的一次模锻，还需改变模具结构。

模具改进

为保证产品杆部完整充填，我们借鉴了浮动模成形原理，在大台成形结束后，把它及端头视为刚端，在下模端部添加下垫进一步锻造压实，即采用两端镦挤的方式，可完全充满。充填结束后，端头部位添加漏盘，上砧轻压，即可顺势取出坯料，这在成形方法及操作步骤上都比较合理。为此，我们对模具结构进行了优化，如图5 所示。在模具下端增加50mm 长的直台，用于增加下垫压实杆部。为方便坯料脱模，模体中轴向均采用1.5°的锥度，为便于坯料向下端杆部填充，在大台根部设7°的锥度；上盖依产品外形设4.8°的锥度。由于模具内腔对上模起导向作用，两者之间应有一定间隙。间隙过大，在金属流动时，此处将产生纵向毛刺，加速模具磨损和造成脱模困难，间隙过小，因温度的影响和模具变形，将使上盖和模具之间运动困难。结合以往经验，此处间隙选为2mm。

生产试验

模具制造完成后，我们按图6 的生产流程进行了产品试制。生产火次为两火，生产完成的产品如图7 所示。经检测，新工艺生产的中心管产品，模具充填效果良好，锥度区域均匀，产品表面光滑，各部位尺寸满足要求，加工余量大幅度下降。不足之处是：由于坯料在模具内整体成形，氧化皮不易清理，在模具内成形完成后，产品杆部圆周方向粘连氧化皮较多，这对产品表面质量有一定影响。虽经多次尝试，去除氧化皮的效果并不理想，还待后期进一步解决。