文/沈軍艦，沈鵬，陳志林，王朝清·武漢新威奇科技有限公司

本文以武漢新威奇科技有限公司為客戶實際設計的鍛造自動化生產線為案例，針對中、小型環(huán)類鍛件的自動化鍛造工藝開發(fā)流程進行介紹，分析了中、小型環(huán)類鍛件精密模鍛的鍛造工藝，以及適用于自動化生產的設備選型及模具設計，并驗證了此種工藝的可行性，最終鍛造自動線獲得客戶認可。

鍛件工藝分析及工藝路徑的制定

齒環(huán)(中間軸)類鍛件屬于工程機械類鍛件，鍛件材質20CrMnTi，鍛件外圓直徑408mm，內孔直徑250mm，鍛件高50mm，鍛件重量24.2kg。鍛件示意圖如圖1 所示。鍛件復雜系數CV=0.47，CA=45.7，CA 值較大，模鍛時需轉移的金屬量較大，成形時所需要的力和能量都較大，成形具有一定難度。

圖1 齒環(huán)類鍛件

目前一些廠家的常規(guī)鍛造工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→成形→沖孔，沖孔后的連皮質量約7.5kg，材料利用率僅75%。為適應節(jié)能減排需求，選用輾環(huán)制坯后鍛造工藝，詳細的工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→擠孔→沖孔→輾環(huán)→鍛造成形，工步圖如圖2 所示，此方案連皮質量約2kg，材料利用率可達到90%，且大大減小了鍛造成形時鍛件的投影面積，從而減小鍛件的終鍛成形力。

圖2 常規(guī)鍛造工步圖

齒環(huán)類鍛件自動化鍛造工藝的設計流程

采用逆向設計的方式，根據客戶提供的機加工零件圖，來設計鍛件圖，從而設計出制坯圖，并且可根據設計的圖紙及要求來對設備進行選型，然后可根據設備的類型來設計出相應的模架和模具，采用逆向的設計方式來一步步的制定齒環(huán)類鍛件自動化的鍛造工藝過程，設計流程圖如圖3 所示。

圖3 設計流程圖

自動化鍛造工藝方案

此鍛件的鍛造線較長，鍛件較重，綜合考慮人員安全、生產節(jié)拍及產量的問題，因此采用自動化鍛造線來代替常規(guī)的人工操作鍛造線。為適應自動化鍛造的要求，各單元設備必須具備自動化生產能力，傳統(tǒng)的空氣錘制坯及液壓機自由鍛制坯將無法滿足要求。因此將根據自動化生產工藝要求采用逆向設計思路選擇設備型號、制定工藝參數。

終鍛工藝的制定及設備的選取

根據終鍛毛坯定位需求，有內徑定位及外徑定位兩種方式，對兩種方式進行有限元模擬分析，選取合適的終鍛毛坯定位方式以及鍛造設備。

模擬參數選取，模具溫度250℃，坯料溫度950℃，外界環(huán)境溫度25℃，坯料和環(huán)境的對流熱交換系數0.02N/(sec·mm·C)，熱交換面為環(huán)境與坯料的外表面，坯料和模具的熱傳導系數0.2N/(sec·mm·C)，建模示意圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 內徑定位

圖5 外徑定位

內徑定位結果分析：靠內孔定位，內孔會出現縱向毛刺，最大外徑處的圓角不易充滿，鍛件底面存在產生折疊的風險，鍛造成形力5500t，成形能量600kJ。

外徑定位結果分析：靠外孔定位，金屬流動良好，鍛件不會產生折疊，鍛造成形力6000t，成形能量520kJ。

綜上所述：根據成形力與能量要求選擇在J58K-4000 電動螺旋壓力機上進行鍛造成形(電動螺旋壓力機打擊力可長期超載1.6 倍)。終鍛毛坯選擇外徑定位方式。

輾環(huán)擴孔工藝制定及設備的選取

毛坯采用外徑定位后可設計出輾環(huán)后的制坯圖，根據輾環(huán)要求我們可以確定出輾環(huán)前的毛坯尺寸，即為沖孔后的制坯圖。輾環(huán)后的最大外圓尺寸小于408mm，因此選用D51K-500B 數控立式輾環(huán)機(最大外圓可輾到500mm)。

沖孔、擠孔和鐓粗工藝制定及設備的選取

同樣根據沖孔后的制坯圖，可以設計出擠孔制坯圖，再根據質量守恒可算出鐓粗高度，鐓粗尺寸得以確定。經過DEFORM 模擬軟件的模擬分析，算出鐓粗力450t，擠孔力1800t，沖孔力400t，可以選擇一臺設備做三工位制坯，這樣既節(jié)省了成本也節(jié)省了場地的空間，綜合考慮液壓機的噸位及工作臺面的大小，所以選取2000t 液壓機做三工位制坯。

加熱和下料工藝制定及設備的選取

根據中頻爐選型規(guī)則，可以按產品重量和產能選擇合適功率中頻爐。重量較大的棒料一般采用下料鋸床與中頻爐直接連線的方式，保證中頻爐供料的穩(wěn)定性，可根據棒料直徑及生產節(jié)拍選擇合適的中頻爐。最終工藝及設備選型見表1。

表1 工藝及設備選型

模具模架的設計

2000t 液壓機三工位模架模具的設計

液壓機三工位制坯模架結構設計如圖6 所示。

圖6 三工位制坯模

三工位模具難點在沖孔工位的卸料，沖孔的卸料結構采用上卸料，這樣使鍛件留在下模統(tǒng)一的位置，便于機械手的夾持。卸料彈簧可選用常規(guī)的矩形彈簧或者氮氣彈簧，矩形彈簧的好處是相對來說耐高溫，但提供的卸料力有限，所需的卸料行程較大。氮氣彈簧可提供較大的卸料力(單根可選擇彈力6t到10t的，且初始彈力6t)。

4000t 終鍛模架模具的設計

終鍛模架模具結構設計如圖7 所示。

圖7 4000t 電動模架模具結構

終鍛設備采用的是4000t 電動螺旋壓力機，此壓力機的優(yōu)點是打擊能量可控，設備自帶液壓三點頂料系統(tǒng)，鍛件的頂料采用環(huán)形結構，設備自帶的三點頂料為十字形狀的頂料板，頂料結構適應性強，適用于不同直徑環(huán)件。

生產驗證

圖8 為輾環(huán)前三工位制坯得到的環(huán)形件毛坯，圖9 為輾環(huán)擴孔后得到的毛坯，圖10 為終鍛成形后得到的成品鍛件，鍛件成形良好，未出現折疊。量產后，鍛件后續(xù)機加工達到預期目標，圖11 為機加工后產品。

圖8 輾環(huán)前三工位制坯得到的環(huán)形件毛坯

圖9 輾環(huán)擴孔后得到的毛坯

圖10 終鍛成形后得到的成品鍛件

圖11 機加工后產品

總結

本文針對環(huán)類件，詳細的講述了武漢新威奇科技為客戶設計開發(fā)環(huán)類鍛件自動化鍛造過程的工藝開發(fā)流程，即設計階段從產品圖紙開始逆向工藝設計及設備選型，實際生產通過了對此方案的驗證，總結出了一種鍛造環(huán)類件的自動化鍛造工藝設計方法。對鍛造業(yè)同行以后此種類型鍛件的自動化生產方案設計具有很大的參考價值。

作者簡介

沈軍艦

工藝主管，工程師，主要從事鍛造工藝開發(fā)、模具及模座設計以及鍛造自動線工藝設計工作，主持開發(fā)了多種類型鍛件的自動化鍛造工藝。參與熱模鍛自動化生產線項目獲得湖北省科技進步一等獎，擁有專利10 余項。

——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第7期

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