471传动轴锻件闭式模锻工艺研究

文／张娜娜，白孝俊，夏占雪·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

471传动轴锻件闭式模锻工艺研究

文／张娜娜，白孝俊，夏占雪·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

近年来，随着“绿色锻造”理念的兴起，加上锻造行业竞争的日趋激烈，迫切需要我们进行节能降耗以降低生产成本。提高材料利用率成为了首选措施，各锻造企业根据自己的产品、设备及技术等实际情况纷纷开发闭式模锻工艺。

471传动轴是我公司为英国某知名公司生产的锻件，锻件三维造型如图1所示。该锻件材料为17CrNiMo6，最大直径φ132mm，最小直径φ49.5mm，总长195mm，重量8.1kg，热处理方式为等温退火，硬度要求159～207HBW。该产品结构上并不复杂，属于大盘细杆类产品，可锻性稍差，一般采用拔长后终锻的方式制造。本文依据我公司生产实际，以其为研究对象，研发一种新型的适合此类产品的闭式模锻工艺，在16000kN离合器式螺旋压力机上实现批量生产。

图1 传动轴锻件

工艺分析

471传动轴最初是在我公司修锻车间生产，其工艺是棒料经煤气炉加热后，在空气锤上通过自由锻拔长杆部，然后在胎模里最终锻打成形，利用该工艺生产出来的锻件表面质量差，产品质量不稳定，生产效率较低，班产只有80件左右。

2007年我公司购进了一台16000kN离合器式螺旋压力机，用于生产转向节，由于负荷不满，准备在该设备上开发其他类型产品。由于该设备打击速度相对较慢，上下模可以承击，具备开发闭式模锻工艺条件，我公司决定在其上开发471传动轴闭式模锻工艺。

通过分析，我们初步将传动轴工艺定为：加热→镦粗→预锻→终锻→打磨→等温退火→喷丸→防锈→入库。其中，加热工序使用中频感应炉，提高生产效率的同时保证产品外观质量，棒料镦粗后去除氧化皮，在预锻时将头部和部分杆部挤出，在终锻时挤出杆部并镦粗成形大盘。

工艺及工装设计

镦粗模具设计

镦粗模的作用不仅是要去除氧化皮，使坯料直径变大、高度变低，还起到预先分配金属的作用。由于在预锻和终锻时需要尽量减少金属水平方向流动（金属流动剧烈将会导致模具寿命较低），为了减少锻件充不满情况，需要让坯料在水平方向分布均匀，所以镦粗工步棒料的定位是非常重要的。一般将镦粗模下模局部设计得比坯料直径大0.5～1mm（考虑到坯料直径的正偏差），用于放料定位。有了定位，操作工将很容易将坯料放正，镦出来的中间坯形状才规整，同时也应考虑到镦粗后的坯料放入预锻后需要具备良好的定位，所以镦粗模下模形状也考虑到了和预锻模的匹配。镦粗后坯料的厚度及直径和预锻大盘直径有较大的关系，最大直径应只比预锻大盘直径小1～2mm。为了简化设计，镦粗上模直接设计为平模。模具材料使用H13，设计好的镦粗模如图2所示。

图2 镦粗模

预锻模具设计

预锻模的设计至关重要。从锻件来看，上模部分较短，可以在预锻全部成形；下模部分杆部细长，预锻时必须挤出部分杆部，不然终锻时杆部容易充不满。但预锻杆部成形太多，也必然导致预锻成形力过大，造成设备闷车或损坏模具。我们设计让杆部成形约1/3，同时也注意到，预锻后的毛坯无论如何是不能出现残留毛刺的，最好是预锻后大盘边缘局部充不满，如果出现残留毛刺，应调整预锻工步打击行程或重新设计预锻型腔。

预锻模上模（又叫凸模）设计：

⑴为了减少摩擦，在凸模进入凹模部分上做出一圈凹槽，凹槽深度为2mm，宽度大于15mm，防止产生毛刺后摩擦力过大导致设备闷车或损坏模具；

⑵为了防止折纹，凸台直径应比终锻直径小1mm左右，圆角应比终锻大；

⑶由于未设计顶出，凸台斜度应设计在2°左右或更大，防止锻件粘上模。

预锻模下模（又叫凹模）设计：

⑴为了提高杆部填充效果，在大盘和杆部的连接处设计了一个45°漏斗形状的引导段，引导坯料流向杆部；

⑵凹模上设计有一段直段作为导向段引导凸模进入凹模，其长度与镦粗后坯料的厚度有关，即镦粗后的坯料放入预锻型腔后，应比凹模低约10mm，防止冲头压住坯料时坯料水平方向流动流出凹模；

⑶顶出设计。直接将杆部下端开通作为顶杆孔，顶杆直径设计为比锻件杆部端头直径小1mm；

⑷气孔设计。由于杆部较长，为了改善杆部填充性，应设计气孔来减少型腔内压力，该传动轴在做顶出设计时利用顶杆和杆部的间隙来作为气孔使用。

预锻模设计中的关键工艺参数是冲头和凹模的间隙，该间隙和设备导向精度有关，其大小直接影响到锻件的同轴度，同时影响终锻工序，如果间隙过大，锻件出现纵向毛刺，终锻时将会使锻件出现折叠，如果间隙过小，将会碰坏冲头，严重的甚至导致设备闷车，该传动轴取单边间隙0.25mm。模具材料使用H13，设计好的预锻模如图3所示。

图3 预锻模

终锻模具设计

终锻模的设计相对于预锻模来说简单很多，凸模和凹模的间隙与预锻模设计原则一致。

终锻上模（凸模）设计：

由于终锻成形力变大，一般会在大盘边缘挤出少许纵向毛刺，这时凸模进入凹模部分也应像预锻模一样设计一道凹槽，防止锻件卡在凸模上。

终锻下模（凹模）设计：

⑴导向段设计。其长度和预锻后坯料大盘厚度有关，即预锻坯料放入终锻模后，应比凹模低10mm以上；

⑵凹模杆部长度应比热锻件杆部长2～3mm，防止锻件杆部出现充不满；

⑶顶出设计，顶杆直径和顶杆孔尺寸和预锻模一样，并利用其间隙作为气孔，改善杆部填充情况。

模具材料使用H13，设计好的终锻模如图4所示。

图4 终锻模

工艺模拟的应用

为了降低开发成本，采用工艺模拟软件对工艺方案进行了模拟验证，确定了工艺方案理论上的可行性，分配好各工步变形量，经过生产验证，模拟结果和生产实际非常接近，如图5所示。

图5 镦粗、预锻、终锻成形模拟

生产验证

471传动轴模具制作完成后，开始在我公司16000kN离合器式螺旋压力机上进行调试，坯料温度（1150±30）℃，我们逐一调试了镦粗、预锻和终锻工步（图6），并解决了预锻出现毛刺、设备闷车、锻件充不满、大盘厚度超差等问题，顺利进行小批量试生产。

在随后的小批量试生产验证时，我们发现预锻和终锻凸模寿命偏低，只有1000件左右，为了解决这一问题，我们改进了预锻和终锻凸模，并将凸模设计为镶块式来降低模具成本；大批量生产时，471传动轴班产达到600件左右，材料利用率达到98%，模具寿命约2000件。

图6 各工步坯料形态

生产过程注意事项

锻件生产出来后，通过等温退火，然后清理掉表面氧化皮，防锈处理后就完成了该传动轴的锻件生产过程。在生产过程中应注意以下事项：

⑴由于是闭式模锻，坯料的大小直接影响到锻件的厚度方向尺寸，要求原材料采购时直径偏差至少应符合GB/T 702-2008所规定的第二组偏差，下料工序下料长度应控制在±0.5mm，管理较好的企业可以按照重量下料。

⑵为了便于锻件出模和保证模具寿命，应对模具进行一件一润滑冷却，如果锻件下模容易出现充不满而模具又没有气孔的话，应尽量避免选用会产生较多气体的脱模剂，我公司使用的是石墨乳。

⑶料温对锻件充满影响较大，应保证料温符合工艺要求，偏差应至少控制在±30℃以内。

结束语

经过我公司生产验证，这种“闭式模锻”生产传动轴类锻件的工艺经济实惠，生产效率高。锻件流线符合要求，质量稳定，拔模斜度只有2°，外观较好，无充不满、折纹、折叠等缺陷。通过进一步完善，目前已推广应用到了驱动轮轴、齿轮、法兰等多种类型的产品上，实现了批量生产，年产量大概在7万件。闭式模锻工艺的成功研发，不仅进一步提高了我公司锻件材料利用率，省掉了一道切边工序，降低了生产成本，且为我公司开发精锻工艺奠定了良好的基础。