环形锻件模具及工艺优化设计方法

杜 桢

（成都电力金具有限公司，四川 成都 610000）

环形锻制件截面实则为“工”字型，在成形过程中中间部分的材料大量快速的向两侧流动，随着锻制件与模具之间热传导，中间部分材料表层温度降低明显，环形锻制件的模具设计及成形工艺中要充分考虑制件材料成型的流动特点，将叠层缺陷的风险彻底消除。

1 环形锻制件形状结构及成形特点

如下图1所示，环形锻制件环部为截面为一定直径的圆，便于安装连接及有利于环-链连接受力。锻制成型的环形件由于模具分型的原因可以有一定的直角边，但直角边的长度要小，不影响安装受力。

图1 环形锻制件产品示意图

2 试验分析

环形锻制件的截面为“工”字形，在成型合模过程中，环内侧材料在模具作用力下快速大量外流，但由于R处倒角小，内侧材料向外侧流动困难程度增加，随着模具继续合拢内侧材料在高压下继续外流同时由于模具与坯料间导热内侧材料温度逐渐降低（内侧飞边越薄温度越低），最后在高压下内侧低温材料汇入环部与环部材料形成折叠。经宏观检查发现，环类件产品裂纹均出现在环中间部位，深度约1mm～2mm，如图2环形件缺陷轴向示意图，根据裂纹形貌特点以及对裂纹的微观分析，发现此种产品产生裂纹的根源为，锻造过程中材料反向流动，在材料交汇处，多余材料不能及时有效随飞边挤压出产品本体，形成锻造褶皱或叠层。

图2 环形件缺陷轴向示意图

3 模具设计及工艺优化

3.1 环形锻制件工艺优化分析

在成型合模过程中，环内侧材料在模具作用力下快速大量外流，但由于R处倒角小，内侧材料向外侧流动困难程度增加，随着模具继续合拢内侧材料在高压下继续外流同时由于模具与坯料间导热内侧材料温度逐渐降低（内侧飞边越薄温度越低），最后在高压下内侧低温材料汇入环部与环部材料形成折叠。

由上分析可以看出，上述一次精压成型的工艺方式存在环内侧R处叠层的必然风险。因此，为了规避上述风险需要对加大模具凸台的R让环内侧材料顺利外流，让成型过程材料处于正常的塑性变形过程。但加大模具内侧R后对落内毛边造成了困难，同时环内侧直线锻较长，不符合使用要求。

图3 折叠产生示意图

工字形截面锻件，在锻造成型过程中，由于金属表层移动容易产生折叠，靠近接触面a-b附件的金属沿水平方向大量急速外流，同时带动a-c、b-d附件金属一起外流，使已经氧化过的表层金属a-b与a-c又汇合到一起形成折叠。及产生这种折叠需要满足，靠近接触面的表层金属发生流动，这种流动是沿水平方向的流动，中间不分排出大量金属，而排出的多余金属在封闭空间内无法外流。

3.2 模具设计

根据以上工艺优化分析，模具设计需由原来的一次精锻模改为一副模具预锻和精锻两个模膛。

预锻锻造毛坯的截面如图4示意图所示，在环内侧加大了R尺寸，在预锻过程中大量的内侧材料顺利外流，避免在R处形成叠层。在精锻过程中对内侧R处进行校型。

图4 预锻毛坯截面示意图

4 锻压力校核

由于采用成型模上有预锻和精锻型腔，预锻和终锻型腔设置都不在压力中心点上，同时模具的外形尺寸增大，成型设备都可以调整。

根据热锻模压力机吨位的确定理论-经验公式有

（1）对在分模面上投影为圆形的锻件，其模锻所需压力（N）为 ：

（2）对在分模面上投影为非圆形的锻件，其模锻所需压力（N）为 ：

其中，D—为圆形锻件的直径（mm）；D1—非圆形锻件的换算直径（mm），；S—锻件在分模面上的投影面积（mm2）；L件—非圆形锻件的长度（mm）；B均—非圆形锻件的平均长度（mm）；σ—金属在终锻温度下的流动应力（MPa）。

式中（1-0.001D）≥0.7时，即D＜300mm时，（1-0.001D）就以0.7计算。

图1所示产品投影在分模面上投影为非圆形，采用上述公式②进行计算，采用35CrMo材料，代入数值后，F=5018KN，压力机吨位≥F/0.8=627吨。

5 生产验证试制

为了验证工艺和模具改进后在环内侧是否改善锻制环形件内叠层侧裂纹问题，生产试制了25件环形制件。通过检测这25件中无一件产品有裂纹，与前期一次精锻成型形成鲜明对比。

6 结论

环形锻截面为“工”字形，其一次精锻成型在环内侧存在叠层风险，材料高温下塑性变形能力越差的材料产生锻造叠层的风险也越大。通过模具和工艺设计优化，能规避锻造叠层叠层的产生，但平均单件产品的模具使用成本约增加1元/件。