薄型锻件闭式锻造工艺与模具设计

马丽　赵红图

摘要：分析了薄形锻件结合齿圈的闭式锻造工艺及模具设计。该工艺具有材料利用率高、锻件质量好、废品率显著降低等优点。

关键词：薄形锻件;闭式锻造;模具设计

在锻造生产过程中，往往会遇到直径较大而厚度非常薄的锻件。所谓薄形锻件是指圆形锻件的厚度与直径之比h/d≤0.2时的锻件，该类锻件复杂系数为S4级，属于复杂类锻件。此类锻件成形困难，且冲孔、切边变形大。闭式锻造一直是锻造生产所努力追求的目标。它所带来的经济效益是不言而喻的。从锻件的成本构成看，飞边一般占锻件质量的10%～35%，同时还增加了切边工序，模具寿命较低，一套模具约生产2000～3000件。

针对上述情况，现将结合齿圈锻件设计为闭式锻件，设计承载设备2500t锻压机，分预终锻成形，不仅解决了成形困难问题，同时还省去了切边工序。

1闭式锻造工艺概述

闭式锻造即无飞边锻造，一般在锻造过程中上模与下模的间隙不变，坯料在四周封闭的模膛中成型，不产生横向飞边，少量的多余材料将形成纵向飞刺，飞刺在后续工序中除去。

闭式锻造工艺具有明显的优点，主要表现为：锻件几何形状、尺寸精度和表面质量最大限度地接近产品，省去了飞边，与开式模锻相比，闭式模锻可以大大提高金属材料的利用率。

采用闭式锻造，需要具体的必要条件：坯料体积准确;坯料形状合理并且能够在模膛内准确定位;设备打击能量或打击力可以控制;设备上有顶出装置。

2.锻造工艺分析

结合齿圈零件是一个典型的薄形零件，零件尺寸外径准145.8mm，最大外圆厚度仅9.3mm。圆盘直径与厚度比h/d=0.064，属于典型的薄形锻件。

3.闭式锻造工艺的制定

3.1毛坯图的制定

闭式锻件图整体单边余量2mm，外圆出模角2°，允许上尖点处未充满圆角R≤4mm，未增加薄壁处厚度。锻件质量1.99kg。

3.2热锻件图的制定

为了抵消冲孔变形引起的凹陷，设计中从外圆设计一个2°的工艺锥度。增加工艺锥度后，将毛坯的上端面平面度控制在0.8mm以内，保证了产品的质量，而且不必另增加一道校平工序。薄形锻件闭式锻造预锻型腔设计至关重要。预锻工步主要是预成型和分料作用，使料在终锻型腔中分流均匀、定位准确，不出现毛刺及充不满现象。应用成型软件Deform模拟，最终确定预锻型腔图。

镦粗工序为自由镦粗。预锻型腔中的准86.1mm凹台是镦粗毛坯定位位置。起初设计成型镦粗，由于剪切料的端面不平整，导致镦粗后的毛坯分料严重偏斜，致使预锻毛坯外圆出现一边充不满，一边出毛刺现象。改进后靠内凹台定位，不仅简化了镦粗台的形状，而且对剪切料的端面要求降低，料定位及分料问题也得到了解决，从而使预锻到终锻定位、分料及充满得到良好的效果。同样也考虑冲孔变形，从外圆处引一2°的角度，弥补了冲孔变形带来的料凹陷现象，同时也解决了终锻尺寸准57.3mm充满问题。模具寿命也从模锻的两三千件增加到现在的万件以上。

4.模具设计

4.1闭式锻造的金属变形过程

第一阶段，基本成形阶段。在这个阶段中，金属坯料从初始的形状开始变形直至基本充满模具型槽，变形力的增加比较缓慢。凸模向下移动△H1。

第二阶段，充满型槽阶段。此阶段是从第一阶段结束到金属完全充满型槽。这一阶段的显著特点是，变形力急剧增加，大约为第一阶段末变形力的2～3倍，但变形量却很小。凸模向下移动△H2。

第三阶段，形成纵向毛刺阶段。坯料经过第二阶段的变形后，已经充满模具型槽，基本上不再变形了，这时如果上模继续下压的话。坯料内部的铸造枝晶、空洞、疏松等得到破碎、锻合和压实。如果锻压力很大的话，金属将会在上下模具的间阶内流动形成纵向毛刺。凸模向下移动△H3。

4.2模具设计分析

设计模具结构，除锻压机自带的导柱导套导向外，设计中还使用了模口导向，有效地保证了导向的精度。当上模进内芯固定圈10mm时，单边间隙设计为0.2mm，可根据啃咬情况调整错差。在此结构中内芯固定圈是易损件，需经常更换;其下模压圈采用螺栓结构，以方便下模内芯的装卸。在锻造过程中，操作人员根据毛坯充满情况调节闭合高度。当上、下模闭合后，上模退出，顶杆顶出锻件，然后在压床上冲孔。

5.工艺的优越性及特点

（1）材料利用率高，节材降耗。由于是无飞边锻造，再加上加工余量的减小，锻造材料消耗明显降低。开式工艺用料为准60mm×120mm/2.65mm，单件定额为2.77kg;闭式工艺用料为准60mm×98.6mm/2.188mm，单件定额为2.27kg。每件毛坯节约材料0.5kg，月需求量约为8万件，仅该产品可为公司每年节约材料480t以上，经济效益不言而喻。

（2）模具结构简单，拆装方便，寿命长。在此结构中，下模内芯是易损件，为了方便凹模的更换，其压圈采用螺栓结构，以便于凹模的装卸。使用预、终锻型腔，模芯冷却效果好，能够保证模具在正常温度下工作，使模具寿命也从模锻的两三千件增加到现在的万件以上，从而大大降低了更换模具所耗费的时间及人力，也减轻了操作人员的劳动强度。

（3）生产效率高，锻件质量好。使用闭式锻造，班产量均在2000件以上，主要原因是操作简单，省去了切边工序。模锻时，锻件废品主要是冲孔凹陷及错差两个原因，尤其是错差一直是困扰薄形锻件难以解决的问题。闭式锻件由于是单型腔成型，凸模与凹模之间极限错差为0.4mm，远低于图纸要求的≤0.8mm，优势显而易见。由于是锻压机锻造，锻件定位准确;又有镦粗去氧化皮工序，锻件外表面质量好，废品率低。

6.结束语

结合齿圈是薄形锻件的代表之一，在锻造过程中调整工艺方案可靠后，闭式锻造工艺优势明显，模具结构合理，锻件质量高。该工艺具有节材节能、生产效率高、锻模寿命长、产品质量好、生产成本低等优点。该类薄形件在闭式工艺下的成功试制，对以后一些复杂薄形锻件的闭式设计具有一定的参考意义。

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