浅析三通阀体锻件多向模锻上冲头尖部模具断裂原因

文／宿勇进，徐文翠，张家伟，张志鹏·中冶重工(唐山)有限公司

多向模锻又称多柱塞模锻，与普通模锻不同，其在模具闭合后，几个冲头自不同方向同时或先后对锻坯进行挤压，从而在坯料一次加热后完成复杂工艺，既具有挤压工艺变形均匀、机械性能好的特点，又具有闭式模锻成形精度高的特点，而且可以加工普通模锻无法一次完成的复杂零件。但是由于该工艺比较复杂，并且国内无现成经验可以借鉴，可以说是边探索边发展，因此就目前来说，该工艺尚存一些瓶颈核心技术难题等待解决。在这些核心技术难题中比较突出的一个就是三通阀体锻件在生产过程中上冲头尖部模具的断裂比较频繁，此问题不但大大增加了生产的成本，而且对生产工期也造成严重影响。笔者以3 英寸三通阀体锻件上冲头尖部模具断裂(图1)现象为例，简述其断裂现象并分析其产生原因。

图1 上冲头尖部模具断裂

如图1 所示，断裂发生在三通阀体锻件垂直孔内，即为上冲头尖部模具的穿孔部。图1(a)显示的模具断裂方向为正南-正北，从断裂情况可以定性判断出正南断裂点受拉，为撕裂，正北断裂点受压，为压裂。图1(b)显示的模具断裂方向为西南-东北，从断裂情况也可以定性判断出西南断裂点受拉，为撕裂，东北断裂点受压，为压裂。以上做的只是简单的定性分析，由于多向模锻是使金属材料在高温状态和各种应力状态下受力流动，锻造成形的过程复杂，因此上冲头尖部模具断裂的原因不是由单纯的某一方面因素造成的，而是受多种因素综合影响。下面笔者从上冲头尖部模具工作相关的几个方面入手，简要描述模具工作过程并分析其可能产生的断裂原因。

上冲头尖部模具断裂现象原因分析

由概述可知，上冲头尖部模具的断裂现象与多种因素有关，不仅仅局限于模具本身。虽然如此，模具本身结构性能的优劣对模具的断裂也起着抑制或促进作用。下面分别对模具结构、模具工作过程和模具受力情况等进行分析研究。

上冲头尖部模具结构性能分析

上冲头尖部是上冲头的工作部分，采用热作模具钢4Cr5MoSiV1(美标H13)制作，该钢具有良好的韧性和较好的热强性、热疲劳性和一定的耐磨性。如图2 所示，冲头结构主要包括三部分：穿孔部、导向部、固定部。其中，固定部又细分为固定螺纹、退刀槽和定位外圆柱。

图2 上冲头尖部模具结构示意图

工作时导向部与上模芯的导向孔间隙配合起到冲头下行时准确定位并导向的作用。上冲头尖部模具结构存在3 个机加工切削应力集中部位，根据所在轴径尺寸的大小可排列出结构由弱到强的顺序：最薄弱的环节显然是部位1，即退刀槽圆弧过渡处；其次是部位3，即穿孔部根部圆弧过渡处；然后是部位2，定位外圆柱与导向部圆弧过渡处。

上冲头尖部模具工作过程

如图3 所示，上冲头尖部垂直下行至导向部下端所在平面与上模芯导向孔上端所在平面处于同一平面时，导向部开始起定位导向作用。如图4 所示，当上冲头尖部行进至下死点位置时，上冲头穿孔挤压工作结束并停止在该位置；此时锻坯两侧的水平冲头开始相向同步行进，待与锻坯接触后开始对其进行穿孔挤压并到达指定位置时结束。锻坯材料经挤压流动成形完毕后，首先水平冲头反向同步回程，然后上冲头垂直向上回程，整个挤压流动成形工作结束。

图3 上冲头导向部进入导向孔初始位置示意图

图4 上冲头到达下死点时整套模具相对位置示意图

上冲头尖部工作时受力分析

上冲头尖部行进至下死点位置时，上冲头尖部工作结束并停止在该位置上，左右两侧的水平冲头在水平穿孔缸的作用下相向同步(可以先假设为无误差精确同步)行进，待两个水平冲头对锻坯材料接触后形成挤压时在水平孔的中心线位置形成一个力系如图5所示。

图5 水平冲头挤压锻坯时水平冲头端部受力分析示意图

F左和F右分别是液压机左右水平穿孔缸施加在各自水平冲头上的推力，大小相等(理论上是相等的，但实际上由于各自液压缸内部摩擦力不同和液压油在管路上沿程阻力的不同等原因，其大小存在一定程度的误差)，方向相反；f左和f右分别是锻坯材料在左右两半型腔内流动时对各自腔内的水平冲头形成的水平方向的阻力，大小相等(理论上是相等的，但实际上由于锻坯与型腔初始相对位置难免会存在位置度误差，并且左右型腔在制作上难免会存在加工精度相似度误差，再加上上下模芯对模精度可能也存在一定误差，这些误差会造成型腔内锻坯材料与型腔间的间隙不同和流动时所受摩擦阻力不同，因而导致左右腔内锻坯材料在两个方向上的流速不同，进而对两侧水平冲头造成的阻力不同，因此其大小实际上并不相等)，方向相反。

用F'左和F'右分别表示左右水平冲头克服各自的阻力f左和f右后通过锻坯材料作用在上冲头尖部穿孔部两侧对应位置的力，如图6 所示，则这些力的绝对值之间的关系可用下列等式表示：|F'左|=|F左|-|f左|，|F'右|=|F右|-|f右|。理论上讲，|F左|=|F右|，|f左|=|f右|，但是由于多种因素影响(前面已作论述)，实际上并不相等，总是存在一定误差，因此实际上|F'左|≠|F'右|，它们之间的差值F'右-左取决于F左和 F右、f左和 f右之间差值的大小，而F'右-左的大小对穿孔部的挠度弯曲变形直至其应力集中部位被疲劳剪断起着决定性作用。如果这个F'右-左的大小没有超过允许范围，就不会对冲头尖部应力集中部位直接造成疲劳剪断，而只是会使穿孔部不断地产生挠度弯曲变形并积累，导致锻造生产时锻件垂直孔轴线偏心，如图7所示，因此，被剪断的冲头穿孔部变形是造成垂直孔轴线偏心的原因。

图6 上冲头尖部穿孔部水平受力示意图

图7 锻件垂直孔轴线偏心

如果F'右-左的大小超过允许范围，便会使冲头尖部剪切应力集中部位直接疲劳剪断。一般来说阀体材料的终锻温度在800 ～900℃，假设上冲头尖部穿孔部根部被疲劳剪断时温度在500 ～600℃之间，取上极限600℃作为参考值，查《中国模具工程大典》手册中4Cr5MoSiV1 在高温环境下的抗拉强度变化曲线知，600℃时热作模具钢4Cr5MoSiV1 的抗拉强度约为624MPa。现暂以此数值作为参考计算终锻时上冲头尖部穿孔部根部圆弧过渡处所能承受的最大剪切力：F=Ltσb(N)≈Ltσs(N)=πr2σs(N)=3.14×(99/2)2×624 ≈4800.92×103N ≈4801kN，即480.1t/m2。

现场测量上冲头尖部模具受拉撕裂部位E 点到中心O 点所在水平面的垂直距离约为8mm 和4mm，如图8 所示取平均值6mm 作为参考值；由E 点处被撕裂拉开可判断出F'右＞F'左，即其差值F'右-左＞0，另外由图7 知，F'右-左到中心O 点所在水平面的垂直距离为133mm，根据力矩的概念可知，F'右-左对中心O 点产生的力矩Mo(F'右-左)在数值上等于冲头撕裂部位所受剪切力对中心O 点产生的力矩Mo(F)，根据力矩平衡方程，|Mo(F'右-左)|=|Mo(F)|成立，又|Mo(F'右-左)|=|F'右-左|×133 成立，|Mo(F)|= |F|×6，所以：|F'右-左|×133=|F|×6，将|F|=480.1 吨代入，得出|F'右-左|≈21.66 吨，即两侧水平冲头分别作用在上冲头尖部穿孔部两侧的力的差值约为21.66 吨。

图8 上冲头尖部穿孔部受拉断裂点示意图

上面的数值是根据参考数据计算而得，仅供参考用，实际情况中上冲头尖部穿孔部由于多次疲劳弯曲导致根部已经积累了相当程度的破坏应力，实际疲劳剪断时所受剪切力应比上述计算值小一些。虽然如此，上述计算结果却为我们发现断裂现象的关键问题提供了一个很重要的信息和线索：两个水平穿孔缸性能参数相同，二者间工作压力理论上相同，即使受实际因素影响可能有所出入，但也不至于推力相差到几十吨之多。造成这种现象的最大可能：⑴水平冲头安装同轴度超差造成对上冲头尖部模具扭矩翻转破坏(设计要求水平冲头安装的同轴度误差单侧必须在0.5mm以内，由于缺乏精密的专业测控仪器，实际上同轴度误差数值远远超过设计要求)。⑵两个水平穿孔缸的活塞在挤压工作状态时同步性不理想，一侧先受到锻坯阻力，另一侧后受到锻坯阻力，并且阻力大小不等。

上冲头尖部导向部与上模芯导向孔对模精度分析

上冲头尖部是通过其导向部与上模芯的导向孔之间的间隙配合来保证冲头垂直向下运行的，这个间隙设计图纸为0.5mm(单侧)。如果对模精度基本能达到理想状态的话，周边单侧间隙应为0.5mm 左右。此间隙值可以保证模具在工作状态下导向孔内壁和型腔内壁可以均匀承受锻坯材料流动时产生的压力，这样的对模精度对模具的寿命最为有利。此时模具相对位置如图9 和图10 所示。

图9 模具对模位置最理想状态立面示意图

显然模具对模时不可能保证上冲头尖部导向部中轴线与上模芯导向孔中心线完全重合，总是会存在一定的误差。现在假设模具的制作精度在图纸要求范围之内，开始讨论一下上冲头尖部导向部与上模芯导向孔对模时最不理想状态时的情况。此时导向配合面一侧贴实，另一侧出现最大间隙约1.0mm。此时上冲头尖部导向部中轴线与上模芯导向孔中心线偏心0.5mm 左右，如图11 和图12 所示。

图11 模具对模位置最不理想状态立面

图12 模具对模位置最不理想状态水平截面

此间隙差值虽然不大，但足以造成上冲头尖部穿孔部在工作状态下其东西两侧的锻坯材料流动量不同，从而导致上冲头尖部穿孔部在东西水平方向上存在受力差，这样的对模精度对模具的寿命最为不利，并且会改变受力的合力方向，从而改变冲头穿孔部断裂的方向。

模具制作精度的分析

模具制作精度高低和质量优劣对锻件成形后的外形尺寸和模具使用寿命的影响是毋庸置疑的，因此模具制作精度和质量应满足设计要求，这里强调三点需得到特别重视：

⑴模具上、下模芯结合部的吻合精度应得到有效保证；

⑵上、下模芯型腔内表面粗糙度加工的最后一道修磨工序，应尽量使左右型腔内表面的修磨流线方向与锻坯材料的流动方向保持一致(目的是为了减小锻材流动时所受到的阻力)；

⑶左右型腔内表面的粗糙度应最大限度地保持一致，即尽量保证锻材在两个方向上流动时所受阻力相同。

模具结构改进设计分析

由上冲头尖部模具零件结构分析可知，模具结构存在3 个应力集中部位，这是模具结构中的薄弱部位。一般来说这种情况在设计中是不允许发生的，之所以出现这种情况应该是受实际加工工艺水平的限制导致的，随着加工工艺水平的提高，设计中的加工要求也会随之提高。就上冲头尖部模具结构而言，完全可以通过改进设计来减小或避免这3 个应力集中部位。另外，上冲头尖部模具的固定部的定位外圆柱部位轴向尺寸过小影响定位效果，应适当加大该尺寸。还有冲头端部的形状也应重新考虑设计，现在的冲头端部形状均是按照客户阀门零件图内部形状设计的，有中心平面四周带圆弧的，也有整个半圆形的。笔者认为，冲头端部的形状并不影响阀门零件的加工，完全可以采用同一种或近似的形状，而这个形状应该是最优化的(笔者发现库存的个别冲头的端部形状可以采纳)，也就是说当冲头对锻坯材料进行挤压工作时其所受到的阻力能够尽可能地降至最小，并且能够保证在高温的锻造环境下不会被拉伸压塌变形。

锻坯与模具型腔初始相对位置精度分析

为了便于上料，锻坯直径会比上模芯垂直孔径小一些(例如该产品锻坯直径比上模芯垂直径孔小9.9 ～10.03mm)，由于没有相应的夹具保证它们相对位置四周均匀，往往会造成处于极限位置的锻坯受冲头垂直向下挤压力的同时还会受到其穿孔部水平分力的作用，导致锻坯在左右方向上流动的材料量不同，进而对左右水平冲头造成的阻力不同，笔者认为这是导致冲头疲劳剪断的重要因素之一。锻坯与模具型腔初始相对位置如图13 所示。

图13 锻坯与模具型腔初始相对位置

锻坯下料端面平直度及锻坯下料质量数值误差量分析

显而易见，锻坯在下料工序中其两端头平面与坯体的垂直度精度越高，锻坯下料质量数值误差量越小，越有利于精密锻造成形。这就对锯床的锯切下料提出了更高的要求，要求锯床的夹具以及锯条本身的安装都能够满足以上要求。

分析与讨论

由以上分析得知，造成上冲头尖部模具断裂现象的主要原因有以下几个因素，笔者认为这些因素按影响程度由大到小的排列顺序依次为锻坯与模具型腔初始相对位置误差、液压系统水平穿孔缸同步性不好、上冲头尖部结构设计存在不合理情况、上冲头尖部导向部与上模芯导向孔对模精度存在误差。另外，模芯左右对称型腔内表面的制作精度相同性误差、锻坯下料的精度误差和两水平穿孔缸相对位置的安装精度误差对整套模具的使用寿命也有着重要的影响。

解决措施

根据以上分析过程及结论，笔者提出以下解决措施。

针对上冲头尖部模具结构设计的改进措施

⑴在将上冲头尖部穿孔部改为分体式的基础上，增加径向定位外圆柱结构。此措施的目的是消除穿孔部根部的剪切应力集中问题和穿孔部的径向定位问题。

⑵适当增加上冲头尖部固定部定位外圆柱的轴向长度(可根据试验定)，同时相应减少固定螺纹轴向长度，保持固定部总长不变。重新校核定位外圆柱与相配合的上冲头根部孔配合间隙是否合适，另外固定螺纹建议改为细牙螺纹。此措施的目的是增强径向定位效果，改善装配条件。

⑶如果可能的话，上冲头根部模具采用与4Cr5MoSiV1 机械性能相近但线膨胀系数略小的模具钢材料(4Cr5MoSiV1 的线膨胀系数为13.5×10-6)制作，目的是在高温工作条件下使径向定位外圆配合面形成过盈配合，此举更有利于径向定位。

⑷在满足设计的前提下，尽量增大型腔内表面过渡处的圆弧半径和降低型腔内表面粗糙度以减小锻坯流动时所受到的阻力。

针对多向模锻液压机液压系统的改进措施

⑴检测压力机两侧水平穿孔缸相对安装位置是否水平、中心对称。如达不到安装标准则应进行调整直至符合标准要求。

⑵必须解决压力机两侧水平穿孔缸活塞工作时无法保证精确同步的问题。

①如果液压系统主回路仍采用一个油泵供油，可以考虑在回路中采用同步马达。供油的同步马达是能够相对准确分配流量的液压控制元件，液压油通过同步马达后实现对两个水平穿孔缸均分。这个方法能达到准确控制流量的目的，再加上PLC 控制系统和活塞位移传感器对实际行程的反馈信号，从而比较精确地实现两个水平穿孔缸同步。

②如果上述方法仍实现不了精确同步，则可以考虑两个水平穿孔缸分别使用独立定量泵供油，由于两个油泵的流量相等，两个油缸之间的进出油缸的液压油相互独立，彼此不影响，尽管所受载荷不同，但在流量相同的条件下仍可实现同步。

针对上冲头尖部导向部与上模芯导向孔间对模精度的改进措施

可考虑采用四条窄铜箔片(厚度根据实测间隙定)紧贴在导向孔四周定位(沿圆周位置均分)或采用更先进的激光校准仪定位，尽量保证定位后上冲头尖部导向部与上模芯导向孔的配合间隙四周均匀。

针对模具制作后入厂检验的改进措施

⑴加大对模具入厂检测验收的监控力度，严格按照图纸要求执行。

⑵改进测量仪器的性能或采购更为先进的测量仪器以保证检测数据的可靠性。

⑶对模具关键部位尺寸应多测几组数据，并且应组织相关部门技术人员根据零件图和模具图要求对检测数据进行分析讨论，并对其是否符合图纸要求进行评审会签。

针对锻坯与模具型腔初始相对位置误差的改进措施

制作专用的定位夹具来保证锻坯与模具型腔初始相对位置精度。

针对锻坯下料端面平直度和质量数值误差量的改进措施

在锯床前端采用百分表配合顶尖定位(顶尖顶在棒料截面圆心部位，顶尖本身定位后焊接固定)，如此一来圆钢棒料即使出现0.01mm 的水平位移也会在百分表上显示出来；另外应特别重视进料机构的调平工作，保证圆钢棒料呈水平放置状态。如此可将每个锻坯料的长度尺寸精度控制在0.05mm 以内。以此型号三通阀门为例计算，同时考虑到锯片切削时倾角误差造成的影响，则下料的重量误差范围预计可控制在16 克/件以内。此数据远好于目前的平均数据49 克/件以内，这对锻件的成形质量和模具的寿命无疑是非常有利的。