长轴类锻件轴向变形的工艺分析和利用

文／陆长青，陈闯，尹松森·第一拖拉机股份有限公司锻造厂 许超·日照港达船舶重工有限公司

长轴类锻件轴向变形的工艺分析和利用

文／陆长青，陈闯，尹松森·第一拖拉机股份有限公司锻造厂 许超·日照港达船舶重工有限公司

轴向横截面积或形状变化较大的长轴类锻件通常需要通过制坯工步改变原毛坯的形状，沿轴向合理分配坯料，以适应锻件横截面积变化和形状的要求，使模锻时金属能较好地充满模锻模膛，避免产生成形缺陷，提高材料利用率，降低成形力，提高模具寿命及提高生产效率等。制坯工步是为了获得合理的中间毛坯，因而中间毛坯的设计对长轴类锻件的成形工艺来说就显得尤为重要。中间毛坯的设计以计算毛坯为依据，计算毛坯是根据长轴类锻件在模锻模膛变形时金属主要沿高度和宽度方向流动且沿长度方向流动很少的变形特点，基于轴向变形很小的平面变形假设进行计算并经修正所得的具有圆形截面的毛坯，其长度与锻件相等，横截面积等于相应的锻件横截面积与飞边横截面积之和。正是基于这种设计方法，所以锻件最终成形后除两端外轴向变形很小且飞边也较为均匀，通常来说这被认为是合理的，然而此种方法对于某些长轴类锻件却忽略了变形过程中某个特定阶段可能的轴向变形，且这种轴向变形未被加以利用以进一步优化中间毛坯及成形工艺。

常规工艺实例

近年来我厂设计开发了一系列的连接杆锻件，锻件外形特征是两端头较大且形状较为规则，中间杆部为较细的圆柱体，两端头与杆部的横截面积变化很大。如图1所示为该系列连接杆中其中一种连接杆的锻件图及中间毛坯图，中间毛坯的设计以经典的计算毛坯法则为依据，并考虑中间毛坯长度偏差、杆部弯曲、终锻定位偏差以及模具磨损等进行补偿修正，其中端头168mm的长度尺寸进行了长度偏差和轴向定位偏差的补偿，中间毛坯杆体尺寸依计算毛坯法则计算为φ83.1mm(包括欠压1mm，火耗1%，充满系数为0.3的飞边），考虑到对弯曲及左右定位偏差的补偿后定为φ85mm。如图2所示为该中间毛坯在13t模锻锤锻打成形后的飞边，飞边整体外形较为均匀，但对易于成形的杆部来说，该部位飞边明显偏大，材料利用率偏低，可考虑通过提高杆部坯料成形利用率的方法来提高整体坯料的成形利用率。

工艺改进分析

杆体成形分析

图1 某种连接杆的锻件图及中间毛坯图

图2 锻件飞边

为了提高锻件杆部坯料的成形利用率，需对锻件杆部成形做进一步的工艺分析，即结合锻件形状特征对中间毛坯所涉及的影响因素做进一步的工艺分析：⑴锻件杆体为圆形横截面，形状简单，易于成形，模具磨损甚微，无需进行明显的磨损补偿。⑵合理的模锻成形工艺的特点是锻件易于打靠，杆体不必进行欠压补偿。⑶当中间毛坯杆部弯曲及定位左右偏移时，因锻件杆体与中间毛坯杆体形状一致且均为圆形横截面，因此锻打成形时杆体型槽会对中间毛坯杆部弯曲及定位偏差进行回归校正，不必进行补偿。⑷中间毛坯杆部可尝试小于计算毛坯杆体尺寸φ83.1mm即飞边充满系数小于0.3的小飞边和小欠压量的成形。⑸分析计算毛坯横截面积加入零飞边横截面积的可能性，即以杆部为φ80mm的中间毛坯成形杆部为φ80mm的锻件且锻件杆部形成适当的飞边，无充填缺陷，杆部长约260mm的12号凸字标识成形清晰。若此分析设想可行，那么采用φ80mm规格棒料的平锻制坯工艺或综合优化的其他制坯方式如辊锻、自由锻制坯等就都将成为可能。为此需分析轴向变形量对锻件杆部成形的影响及形成杆体飞边的可能性及可行性。

轴向变形分析

开式模锻的成形过程通常分为4个阶段：自由镦粗或成形镦粗；镦粗、坯料在型槽中升高和形成飞边；充满型槽和形成飞边；锻靠。结合锻件形状及锻打成形过程，对φ80mm杆部的中间毛坯成形的可行性进行综合分析：⑴锻件两端形状具有带孔饼类锻件成形的特点，此部位合理的中间毛坯应为轴心平行于打击方向的圆鼓形。考虑到制坯的经济性和易于操作性及生产效率，大多采用轴心垂直于打击方向的圆柱形。为了平衡纵向截面与横向截面面积的明显差异，需对中间毛坯进行适当的压扁，这也是为了便于定位的需要，但压扁后的坯料仍会产生明显的充填不均匀性及四角坯料过早排出型槽之外的现象，因此两端头部位需要设计富足的成形坯料。端头部位较多的坯料在降低此处的材料利用率的同时也会明显影响成形的第一、第二阶段杆部过渡处金属的轴向变形。⑵长度偏差的补偿会形成两头坯料的富足，也会影响到杆部过渡处金属的轴向变形。⑶设计中间毛坯时，通常以30～45°的倾斜角处理横截面的突变过渡，以利于制坯及避免锻件拐角处出现锻造缺陷，此部位通常会形成坯料的富足，从而影响到杆部过渡处金属的轴向变形。⑷杆体过渡部分两边与模具型槽接触的先后顺序和变形程度存在很大差异，这一点也会明显影响此部位的轴向变形。⑸在成形的前两个阶段，当杆部过渡部位的轴向变形量与所需杆部飞边体积相当时，便足以在成形的第三、四个阶段形成适当的杆体飞边。

成形仿真

为了验证利用轴向变形的可行性，以图1和图3所示的两种连接杆为例，借助于DEFORM-3D模拟软件对其进行工艺成形仿真分析。将图1所示中间毛坯的杆体直径由85mm改为80mm，仿真分析结果如图4所示；将图3所示中间毛坯的杆体直径由85mm分别改为80mm和75mm，仿真分析结果分别如图5和图6所示。图4中P1点锻靠时轴向位移为13mm，图5中P1点锻靠时轴向位移为16mm，图6中P1点锻靠时轴向位移为26mm。位移曲线的走势、拐点和纵坐标数值受锻件形状特征、坯料的分配、轴向变形利用的程度及成形阶段不同等因素所影响。增加图6所示示例分析的目的在于分析轴向变形可利用的程度。结合成形仿真后处理的其他相关类型的分析我们发现，除图6的成形飞边偏小外，其他均符合锻件的成形要求，这证明了利用轴向变形的成形工艺具有合理性和可行性。本分析示例侧重于轴向变形的分析和利用轴向变形的可行性分析，实际生产中可对中间毛坯进一步综合优化，以达到坯料最佳的成形利用率和更为优化的成形工艺。

图3 另一种连接杆的锻件图及中间毛坯图

利用轴向变形的工艺实践

依据成形仿真的分析结果，我们以图1所示的锻件为例进行了实际的验证生产。为了对比图4的仿真成形结果，仅将中间毛坯的杆体直径由85mm改为80mm。实际生产的锻件和飞边如图7、8所示，从实际生产验证情况来看，可得到以下几点结论：

⑴实际成形情况与图4所示的成形仿真结果基本一致。

⑵实践证明了利用轴向变形的可行性，而且材料的利用率得到了明显的提高。

⑶原中间毛坯终锻成形需锤击10～11次，验证生产的中间毛坯终锻锤击为5～6次，锻件成形的锻靠力及锻打所需的能量明显降低，生产效率得到了大幅的提高。

⑷仍存在进一步综合优化的空间，实际生产中可依不同的制坯方式再进行特定的优化。

图4 图1所示连接杆中间毛坯杆体直径为80mm的仿真分析结果

图5 图3所示连接杆中间毛坯杆体直径为80mm的仿真分析结果

图6 图3所示连接杆中间毛坯杆体直径为75mm的仿真分析结果

利用轴向变形的工艺设计示例

图7 锻件

图8 飞边

图9 连通轴的锻件图和中间毛坯图

图10 弯曲初始状态

如图9所示为连通轴的锻件图和中间毛坯图(冷尺寸），其成形工步设计为制坯、弯曲、终锻，如图10、11所示为弯曲成形仿真结果，如图12～15所示为终锻成形仿真结果。本示例将两端短缺和直杆部分飞边所需的成形坯料转移至拐角过渡区域，利用成形过程中的轴向变形对坯料轴向分配进行回归转移，进而达到优化工艺用料规格，减小制坯变形程度及长度偏差，提高坯料成形利用率的目的。此例经工艺分析和成形仿真分析后发现，若采用中频电炉加热、辊锻机制坯的生产工艺，坯料成形利用率预计可达到96.5%。

结束语

图11 弯曲结束状态

图12 终锻初始状态

图13 终锻过程中直杆部分歪斜

图14 终锻过程中直杆部分回归校正

图15 终锻结束状态

本文以连接杆长轴类锻件为例，对轴向变形进行了定性分析，提出了利用轴向变形的工艺设想，突破了常规的计算毛坯法则和工艺思维方式，并借助有限元成形分析软件进行了定量的可行性分析，最终通过实际生产进行了可行性验证；另一方面，又以连通轴为例进行了弯曲类长轴锻件利用轴向变形的工艺设计分析。这些都证明了在长轴类锻件成形中利用轴向变形优化坯料规格、优化制坯、提高材料利用率及优化成形工艺的可能性和可行性。在复杂长轴类锻件的工艺分析中可划分特定部分加以分析和利用，并且要注意对模具应力、模具磨损、流动应力、折叠预测、流线等做进一步的工艺分析，以形成综合优化的细腻型工艺。