文／張國宏，陳博，郭曉曉，尹松森 · 第一拖拉機(jī)股份有限公司鑄鍛廠

隨著大型礦山開采和大型基礎(chǔ)建設(shè)工程設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，工程機(jī)械正在朝著節(jié)能化、智能化、大型化方向發(fā)展，其中非公路自卸汽車不斷朝著大型化發(fā)展，達(dá)到200t甚至更多的一次運(yùn)載量，超大型挖掘機(jī)為適應(yīng)自卸汽車大型化趨勢(shì)開發(fā)出來，其巨大斗容量使單位時(shí)間內(nèi)完成的工作量增加，保證了在聯(lián)合作業(yè)中較高的生產(chǎn)效率。

大型支座零件是超大型挖掘機(jī)大臂上的關(guān)鍵零件，大臂主要作用是用來支配挖斗的挖掘、裝車等動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)一般是箱體式的，在關(guān)鍵部位使用鍛件滿足整體剛度和強(qiáng)度要求。其形狀一般為回轉(zhuǎn)體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，方便與箱體焊接連接，邊緣比較薄，鍛造成形工藝性比較差，大型支座鍛件如圖1所示。

圖1 大型支座鍛件三維造型及截面形狀圖

模鍛成形工藝分析

此鍛件為超大型挖掘機(jī)大臂上使用的零件，最大外徑尺寸為660mm，總高度為250mm，中間最大盤部外緣最薄處僅為25mm，上模環(huán)形較窄凸環(huán)高度尺寸為85mm，寬度尺寸僅為26mm，鍛件重量達(dá)到190kg，由于其形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鍛造成形工藝性較差，存在盤部打不靠及環(huán)形凸環(huán)較難充滿的質(zhì)量隱患；根據(jù)《鍛工手冊(cè)》模鍛錘鍛打壓力經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，只計(jì)算包括橋部寬度在內(nèi)的鍛件投影面積，此鍛件最大鍛打壓力達(dá)到25t，最小為14.3t，通過鍛打壓力計(jì)算，我公司只有16t模鍛錘能滿足此零件鍛打工藝要求。

雖然此零件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鍛件重量偏重，但屬于典型的回轉(zhuǎn)體零件，常規(guī)模鍛成形工藝設(shè)計(jì)為鐓粗和模鍛聯(lián)合成形工藝，考慮我公司設(shè)備布局現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有鍛件生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，決定在16t模鍛錘上采用直接模鍛成形，可以提高生產(chǎn)效率，降低模具成本。

工藝設(shè)計(jì)

初始模鍛工藝方案分析

根據(jù)產(chǎn)品圖及模鍛成形工藝分析設(shè)計(jì)鍛件圖，依據(jù)鍛件最大外形輪廓及保證鍛件能從模膛中出模的分模原則，鍛件分模面設(shè)計(jì)在盤部中間位置，這樣設(shè)計(jì)的好處是切邊后較容易檢查鍛件錯(cuò)移量，防止切邊后產(chǎn)生縱向毛刺，增加打磨工作量，還能消除鍛件翹曲變形，最終決定分模面設(shè)計(jì)在盤部中間偏下位置2/5處；環(huán)形凸環(huán)設(shè)計(jì)在上模，上模金屬在成形過程中流動(dòng)較快且具有反擠壓作用，更容易充滿整個(gè)較窄環(huán)部；考慮到鍛件生產(chǎn)低成本要求，降低上模高度尺寸，減少模塊浪費(fèi)，中間孔連皮設(shè)計(jì)成斜底連皮并且位于偏上位置，需要在切邊時(shí)把中間孔斜底連皮沖下來形成通孔，初始模鍛工藝方案鍛件結(jié)構(gòu)確定為圖2所示。

圖2 鍛件初始模鍛工藝方案

由于我公司采用在16t模鍛錘上直接模鍛成形工藝，對(duì)坯料定位要求很高，否則容易造成中間盤部外緣局部充不滿。另一側(cè)存在厚度尺寸大打不靠現(xiàn)象，或盤部整圈厚度尺寸相差較大對(duì)后續(xù)機(jī)加工造成諸多影響，初始模鍛工藝方案不便于實(shí)現(xiàn)坯料定位要求。經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，直徑規(guī)格需要調(diào)整增加到φ330mm。但較大的直徑規(guī)格使加熱效率偏低，影響生產(chǎn)效率，較高的采購成本使鍛件的生產(chǎn)成本偏高。因此，此初始模鍛工藝方案需要優(yōu)化改進(jìn)才適合批量生產(chǎn)。

正式模鍛工藝方案設(shè)計(jì)

依據(jù)鍛件、沖孔連皮和飛邊的總體積，加上金屬的加熱燒損率計(jì)算出所需坯料體積，再根據(jù)坯料在鐓粗時(shí)不致產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象以及備料方便，按照坯料長度與直徑最大鐓粗比計(jì)算出坯料規(guī)格直徑最小為φ255mm。根據(jù)對(duì)模鍛初始工藝方案坯料定位的分析以及低成本采購坯料的考量，結(jié)合下模型腔結(jié)構(gòu)，經(jīng)過分析論證坯料直徑規(guī)格調(diào)整為φ260mm，依據(jù)此直徑規(guī)格及坯料定位要求重新設(shè)計(jì)的內(nèi)孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。此方案比初始方案坯料重量增加8.7kg，鍛件成本相應(yīng)增加，后續(xù)機(jī)加工時(shí)需要增加鉆孔工序，機(jī)加工成本上升，但此工藝實(shí)現(xiàn)了坯料在模具型腔中準(zhǔn)確定位，降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，鍛件質(zhì)量得到了保證。防止錘鍛模在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生錯(cuò)移，并且考慮降低模具成本，舍棄了傳統(tǒng)圓形鎖扣，改進(jìn)成四角鎖扣，錘鍛模塊尺寸更緊湊，縮短了錘鍛模安裝調(diào)整時(shí)間，降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖3 鍛件正式模鍛工藝方案

模鍛工藝模擬分析

模鍛工藝方案模擬分析

采用DEFORM有限元模擬分析軟件進(jìn)行模鍛成形過程模擬分析。首先對(duì)所述的模鍛工藝建立鍛件成形的有限元模型上模、下模和坯料。模鍛成形主要工藝參數(shù)設(shè)置如下：坯料材料為35Mn鋼(DEFORM模擬分析選擇用JIS-S45C代替)，規(guī)格尺寸為φ260mm×495mm，坯料加熱溫度為1150℃，模具預(yù)熱溫度為200℃，成形力選擇為靜壓力模擬分析，上模進(jìn)給速度選擇為100mm/s，其他模擬分析時(shí)需要的參數(shù)設(shè)置按照常規(guī)一般要求進(jìn)行設(shè)置。

圖4為DEFORM有限元模擬技術(shù)分析的成形過程，在成形過程中由于上模中間位置存在圓形凸臺(tái)，從而形成二級(jí)臺(tái)階，影響金屬流動(dòng)，模鍛成形過程中在模擬分析1300步時(shí)出現(xiàn)了金屬流動(dòng)形成折疊的趨勢(shì)，隨著坯料變形逐漸增加，在1500步時(shí)金屬流動(dòng)形成折疊的趨勢(shì)達(dá)到最明顯程度。之后，隨著坯料變形的繼續(xù)增加，金屬繼續(xù)向圓周外側(cè)流動(dòng)且受到模具結(jié)構(gòu)限制的影響趨勢(shì)逐漸減緩，在1900步時(shí)金屬流動(dòng)形成折疊的趨勢(shì)逐漸消失，繼續(xù)觀察模擬分析后續(xù)成形過程直至成形過程結(jié)束，沒有再出現(xiàn)其他質(zhì)量隱患。從整個(gè)鍛造成形模擬過程分析，前期出現(xiàn)金屬流動(dòng)形成折疊的趨勢(shì)，經(jīng)過變形的繼續(xù)增加，最終金屬流動(dòng)形成折疊的趨勢(shì)逐漸減緩直至消失，因此，鍛件可能存在折疊質(zhì)量隱患。根據(jù)工藝分析判斷上模凹窩斜面上由于存在圓形凸臺(tái)可能會(huì)出現(xiàn)折疊現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)中，由于坯料端面斜度偏大等各種因素影響，會(huì)加大折疊出現(xiàn)的幾率，為了驗(yàn)證模擬分析軟件的真實(shí)有效性和具體折疊位置，決定采用改進(jìn)后正式模鍛工藝方案進(jìn)行調(diào)試生產(chǎn)驗(yàn)證。

圖4 鍛件模鍛工藝成形過程模擬圖

鍛打載荷曲線及金屬流動(dòng)趨勢(shì)

圖5為模鍛成形過程中上模所受載荷變化曲線走勢(shì)，在鍛造過程中，隨著坯料變形量的增加，上模所受載荷不斷增加，在鍛造末期即最外側(cè)飛邊剛形成時(shí)，模具型腔即將充滿，上模所受載荷急劇增大。這時(shí)鍛模型腔逐漸形成封閉空間，由于固體不可壓縮，且多余的坯料逐漸開始往外流動(dòng)形成飛邊，需要較大的鍛打壓力把多余的金屬排出模具型腔使鍛件厚度尺寸達(dá)到要求。因此，上模載荷急劇增加，直至鍛打結(jié)束，載荷達(dá)到最大值。

圖5 模鍛成形過程上模載荷曲線

圖6為模鍛成形結(jié)束時(shí)金屬流動(dòng)趨勢(shì)，上模金屬流動(dòng)趨勢(shì)大體呈現(xiàn)出由上向下及向外側(cè)，下模金屬流動(dòng)趨勢(shì)大體呈現(xiàn)出由內(nèi)向外，這是因?yàn)殄懠鈧?cè)盤部比較薄，金屬流動(dòng)較慢，此處最后充滿型腔，并且多余的金屬需要流出模具型腔形成飛邊，金屬流動(dòng)趨勢(shì)符合鐓粗成形工藝要求，滿足鍛件使用要求。

圖6 模鍛成形過程金屬流動(dòng)趨勢(shì)

工藝調(diào)試及優(yōu)化提高

首次工藝調(diào)試驗(yàn)證

大型支座鍛件的錘鍛模和切邊模全套工藝設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行模具加工制造，全套工裝到位后進(jìn)行了樣件首次調(diào)試生產(chǎn)，最終鍛件見圖7。燃?xì)饧訜釥t坯料溫度設(shè)定為1150℃，坯料經(jīng)過充分加熱出爐后使用手持高壓水槍清理坯料表面氧化皮，錘鍛模下模型腔里撒上鋸末；操作機(jī)把坯料豎立放到模具下模型腔里，坯料定好位，不需要操作工進(jìn)行調(diào)整；16t模鍛錘輕擊兩至三錘后，操作機(jī)夾持坯料脫離下模型腔，操作工使用壓縮空氣清理下模型腔氧化皮；然后進(jìn)行重錘鍛打成形，直至坯料各個(gè)部位完全充滿模具型腔；鍛打完成后操作機(jī)把鍛件轉(zhuǎn)移到切邊模進(jìn)行切邊，整個(gè)調(diào)試過程基本順利。樣件經(jīng)劃線檢查符合圖紙要求，鍛打調(diào)試完成后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理并進(jìn)行著色探傷檢查折紋情況，上模型腔里發(fā)現(xiàn)三件存在較淺折疊現(xiàn)象，經(jīng)打磨可消除，打磨后滿足鍛件質(zhì)量要求。

圖7 大型支座鍛件樣件調(diào)試實(shí)物圖

工藝優(yōu)化提高

根據(jù)第一次樣件調(diào)試結(jié)果情況分析，折紋比例達(dá)到了20%，后續(xù)需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。折紋隱患很可能引起淬火裂紋延伸，導(dǎo)致鍛件報(bào)廢，為了完全消除折疊質(zhì)量隱患及降低操作工打磨勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)模鍛成形工藝進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后鍛件結(jié)構(gòu)如圖8所示，上模中間圓形凸臺(tái)取消，改成整體圓錐，這樣改善了金屬流動(dòng)趨勢(shì)。經(jīng)過再次有限元模擬分析得知，整個(gè)模鍛成形過程中金屬流動(dòng)不再出現(xiàn)折疊現(xiàn)象，折疊質(zhì)量隱患得到完全消除。經(jīng)過幾個(gè)批次的批量生產(chǎn)驗(yàn)證，沒有出現(xiàn)折疊質(zhì)量隱患，鍛件質(zhì)量得到可靠保證。

圖8 鍛件優(yōu)化后模鍛工藝方案

結(jié)束語

針對(duì)大型鍛件模鍛工藝開發(fā)設(shè)計(jì)，借助DEFORM有限元模擬分析軟件，通過模擬分析整個(gè)鍛件成形過程，可以提前發(fā)現(xiàn)鍛件質(zhì)量隱患并進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，找出最佳的模鍛工藝設(shè)計(jì)方案，縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)成本，使鍛件產(chǎn)品質(zhì)量得到可靠保證。

——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第5期

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