精密锻件的设计及生产应用

文／徐皓，黄乐明，黄昌文・安徽安簧机械股份有限公司

精密锻件的设计及生产应用

文／徐皓，黄乐明，黄昌文・安徽安簧机械股份有限公司

依据被精压件的具体技术要求和所需设备工况，设计出合理的精压模，并在实际的批量生产中得到了成功的应用，提高了劳动生产率，降低了生产成本，具有良好的经济效益。

徐皓，锻造车间副主任，主要从事各类锻件的开发及相关模具的设计工作，拥有1项专利。

精密锻造即精锻成形技术，是指零件成形后仅需要少量加工或不加工就可以用作机械构件的成形技术，即制造接近零件形状的工件毛坯。精密锻造与传统成形技术相比，减少了后续的切削量，降低了材料与能源的消耗，缩减了加工工序等。在锻造生产中，为进一步提高模锻件的精度和降低表面粗糙度，通常采用精压的方法。精压就是通过对锻件金属的少量挤压，以获得良好的尺寸精度和表面质量。精压可以部分或全部代替切削加工。一般来说，精压锻件尺寸精度的公差可达±0.25mm，经过多次精压可达到±0.10mm，表面粗糙度一般可降低到0.8～1.6μm。锻件在经过精压后表面层硬化，从而零件的耐磨性得到了提高。由此可见，精压工艺可显著提高生产效率和产品质量，降低生产成本，提高产品的市场竞争力。

图1 锻件模型

精密锻件的设计及可行性工艺分析

如图1所示是我公司为国外某公司新开发的锻件毛坯件，材料为41Cr4(相当于我国的40Cr)，硬度要求为255～310HB，单班产量为1500件左右。

该锻件的毛坯图如图2所示，此锻件要求两端局部表面粗糙度Ra≤12.5μm，四个面相对的平行度小于0.3mm，锻件在厚度方向上的公差要求控制在±0.3mm以内。分析此锻件的特殊技术要求，初步有两种可行性工艺方案：⑴两端四平面进行机加工，但锻件在设计时需增加两端四平面的机加工余量。⑵两端四平面采用冷精压工艺。从降低锻件批量生产和工装模具制作成本的角度考虑，首选冷精压工艺，因为这样不仅可提高劳动生产率、降低生产成本，而且还可为公司带来可观的经济效益。

图2 锻件毛坯图

设备选型及精压模的设计

精压可以在精压机、曲柄压力机、摩擦压力机或模锻锤等锻压设备上进行(精压应在精压机或强有力的机械压力机上进行)。首先，要计算锻件精压时所需的压力。精压时，一般变形速度较低，变形量也较小，其所需的压力主要与变形材料的力学性能、变形温度、变形物体与工具接触面之间的摩擦及受力状态等有关。其所需压力可按下列公式作近似估算：

式中 P——所需的精压力(N)；

F——锻件的精压投影面积(mm2)；

ρ——平均单位压力(MPa)。

对于矩形零件，其平均单位压力ρ的计算公式如下：

式中 σs——精压材料的屈服点(MPa)，可查阅有关手册；

μ—— 摩擦系数，对于无润滑剂与抛光的精压压板可取0.1～0.15，其余情况可查阅有关手册；

a、b——矩形零件底面的短边和长边的长度(mm)；

h——矩形零件的高度(mm)。

平均单位压力ρ也可以根据经验从表1提供的相关数据中选取。热精压时，考虑到精压的温度和变形抗力，故其所需要的平均单位压力ρ可取为冷精压时的30%～50%。通过对此锻件所需精压力的计算(P＝ρ×F＝3000×210＝630kN)，并结合公司现有的生产设备，最后冷精压设备选定为300t摩擦压力机。

在设计精压模时必须考虑到以下几个影响精压精度的因素：⑴冷精压时由于精压面中心部分的金属流动困难，故压应力的分布极不均匀，中心高、边缘低，这就使得精压模模板与精压件都产生不均匀的弹性变形，其拱起值f可达到0.3～0.5mm。⑵精压件材料的强度越高，拱起值f越大。⑶精压件受压面的面积D与高度H之比越大，拱起值f越大。⑷精压变形量越大，拱起现象越严重。⑸精压模材料硬度越高，则其弹性变形量越小，拱起现象也就越不严重。综上所述，宜采用淬硬性高的材料做精压模，淬火后模板硬度在58～62HRC或更高一些较为适宜，故采用Cr12MoV制作精压模。

■ 表1 各种材料在冷精压时的平均单位压力(单位：MPa)

在锻件的设计中还必须充分考虑到精压件的精压余量，精压余量应综合零件的表面粗糙度、尺寸精度、几何形状、尺寸大小和材料等多种因素来确定。精压余量的选取参见表2，精压件公差值的选取参见表3。

■ 表2 精压余量 (单位：mm)

■ 表3 精压件公差值

精压模的尺寸精度与加工表面粗糙度是根据锻件的精度要求来确定的，一般来说，精压模的尺寸公差取锻件尺寸公差的一半，局部地方取3/4，表面粗糙度在0.2☒m以下。

综合以上相关因素最终设计出的精压模具如图3～6所示。

图3 精压模上模

图4 精压模下模

图5 精压模装配简图

图6 精压模下模装配模型

■ 表4 精压后锻件的检测结果

实际生产中的应用效果

图7 精压后的锻件

精压工艺安排在表面清理(抛丸处理)工序之后，但精压前需进行磷化处理或润滑处理(因考虑到生产成本，实际生产中没有对被精压件进行磷化处理或润滑处理，而是将精压模具型腔的表面粗糙度提高，保证模具型腔的表面粗糙度Ra≤6.3μm)。精压后锻件的检测结果见表4，精压后的锻件如图7所示。

结束语

经过五六十年的发展，大量优质、高效、节能、省力的精锻技术相继出现，该冷精压工艺也是在以前的工艺基础上发展而来的，在国外该工艺也越来越多地被应用于汽车变速器、发动机齿轮和连杆等精密锻件的生产中。本文中根据冷精压工艺设计的精压模结构合理，使用寿命可达到30000件左右，现已批量生产，每班次可生产1500件左右的冷精压件，且冷精压件的尺寸精度、平行度及表面粗糙度等均符合技术要求。该工艺模具结构简单，更换方便，不但降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。