一种能显著降低锻造成形力的工艺方法

文／汪敏，沈鹏，詹探·浙江索特重工科技有限公司

本文研究的主减速齿齿坯锻件属于乘用车上的零部件锻件，材质为20MnCrS5，结构件对零件的强度有较高的要求；锻件最大外圆直径φ，内孔直径，锻件总高，底部最薄壁厚16.5mm，锻件质量8.43kg，锻件示意图如图1 所示。此锻件的复杂系数S=0.49，属于精密锻件，对锻件的表面质量及尺寸公差要求较高，因此，需采用闭式精密锻造工艺。

图1 锻件示意图

常用的锻造生产工艺

锻造工艺路线的制定

此锻件为回转体类锻件，锻造工艺路线：下料→加热→镦粗→预锻成形→终锻成形→冲孔，工步图如图2 所示。

图2 锻造工步图

锻造工艺分析

闭式精密锻造对下料的质量偏差要求较高，一般要求在±10g 以内，以此来保证锻件的一致性。此种材料的加热温度(1180±20)℃。

⑴镦粗制坯采用常用的平板镦粗，一者去除氧化皮，二者坯料外圆直径镦粗至比预锻型腔最大外径稍小1 ～2mm，预锻靠外径定位，镦粗模拟效果如图3和图4 所示；镦粗后坯料尺寸为φ220mm×33mm，采用1/4 模拟方式，镦粗力约95×4=380t，镦粗情况良好，未发生不良缺陷。

图3 模拟初始状态

图4 模拟终步图

⑵预锻型腔体积大于终锻，因此预锻最大外圆处存在大圆角，预锻模拟效果如图5 和图6 所示；最大外圆处(图6 标记位置)有大圆角，采用1/4 模拟，预锻力约420×4=1680t，预锻成形情况良好，未发生折叠等不良缺陷。

图5 预锻初始状态

图6 预锻终步图

⑶终锻靠预锻外径定位，终锻模拟效果如图7和图8 所示，同样采用1/4 模拟，最大外径处最后充满，终锻力约780×4=3120t，终锻成形充满情况良好，也未发生不良缺陷。对于此类圆盘件(直径φ223mm)的闭式锻造，按常规的经验公式计算，终锻力约2700 ～3100t，与模拟结果基本一致。

图7 终锻初始状态

图8 终锻终步图

⑷最后完成冲孔工步。

这种常用的锻造生产工艺批量生产的情况虽然良好，但所需吨位较大，而且最大外圆处会存在一边产生纵向毛刺，另一边存在圆角的情况。另外，在4000t 热模锻压力机上做四工位时预锻和终锻不能同时进行，需隔工位生产，降低了生产效率，而且对下料的精度也有很高的要求，否则生产出的锻件一致性较差。

能显著降低锻造成形力的工艺

工艺分析

此种工艺的工艺路线与前面一致，不同点在于预锻和终锻模腔的设计，常用的锻造工艺对预锻连皮的厚度设计会大于终锻连皮，保证材料始终由内向外流动，这种设计的优势是基本不会产生材料回流的现象，能很好地避免折叠情况的产生，弊端是最大外圆始终是最后充满的位置，所需的成形力较大。

改进后的工艺终锻连皮位置的型腔体积大于预锻，预锻时提前把材料挤到外径处，在终锻时再把材料由外圈挤入至连皮位置，相当于内开式锻造，终锻的连皮也充当了飞边桥和仓的作用，且在设计时把预锻外径位置的高度尺寸完全放开，对降低预锻力也有很大的作用。

镦粗采用平板镦粗的方式，改进后的预锻模拟效果如图9 和图10 所示，预锻力Fy≈300×4=1200t(1/4 模拟)，成形情况良好。

图9 改进后预锻初始状态

图10 改进后预锻终步图

改进后的终锻模拟效果如图11 和图12 所示，可以看出最大外径处圆角先充满，然后多余的材料再流向连皮，连皮位置充当了飞边桥和飞边仓，连皮位置始终有空型腔(图12 红框位置)，终锻力Fz≈450×4=1800t(1/4 模拟)，成形情况良好。

图11 改进后终锻初始状态

工艺改进后预锻力和终锻力都大大减小，预锻力和终锻力的合力约3000t，镦粗和冲孔合力500t 左右，在4000t 热模锻压力机上四工位可同时进行，对生产效率有很大的提升；而且此种工艺近似于开式锻造，中间连皮部位存在储存多余料的空间，所以对下料的精度要求不限，可采用快捷的剪切下料方式，也能节约生产成本，提高生产效率。

生产验证

在4000t 热模锻压力机上进行小批量生产，设备安装有吨位仪，可单独测得每次锻打时的锻打力，实测数据是压力机上仅一个工位上有件时的情况下测得，镦粗时吨位4014kN，预锻时吨位10137kN，终锻时吨位20446kN，与模拟结果基本相符。

采用剪床下料，小批量生产的锻件如图13 所示，锻件生产情况良好，且锻件的一致性也较好。

图13 小批量生产的锻件

结束语

本文介绍的能降低锻造成形力的方法，在实际生产中得到了有效的验证，为以后生产此类锻件提供了一个很好的思路，在降低设备吨位及适当放宽下料精度要求的情况下生产优质锻件，值得推广应用。