轴类锻件立式锻造超镦粗比时锻件成形工艺的研究

文／姚毅，陈艳杰，于世方，杨成忠·一汽锻造（吉林）有限公司

轴类零件在锻压机上锻造时，依据分模方式不同，可分为立式锻造和卧式锻造。在锻压机上采用闭式热顶锻工艺时，依据不同轴径留取最小加工余量，可以设计出不同形状的锻件(图1)。锻件的形状与后序成形工艺难易程度有非常大的关系。但有时为了满足用户减少加工量的要求，不得不采用成形工艺难度较大的锻件形状，如图1(b)所示形状。本文就针对此种情况，对锻件的成形工艺选择和模具设计进行介绍。

成形工艺方案选择

锻件图确定后，接下来需要设计锻件的成形方案。对于图1(b)形状锻件，采用热顶锻闭式锻造，可设计两种成形方案。

⑴坯料规格按中间部位台阶尺寸进行选取，通过挤压成形最小直径的杆部，镦粗成形最大直径法兰来成形最终锻件。

⑵坯料规格按最小直径的杆部尺寸进行选取，通过连续镦粗成形中间台阶和最大直径法兰来成形最终锻件。

采用成形方案1，由于坯料规格和最小直径的杆部外径相差20毫米，杆部长度达130毫米，在传统的三工位锻压机上，想要通过挤压成形杆部，通过Forge软件模拟和实际经验验证，都不能将杆部完全充满。所以，只能选用成形方案2。而选取成形方案2时，坯料长度和直径的比值达到7.3，即使不计入杆部的微变形，镦粗比也达到4.3，此时，由于，锻件镦粗比远远超过不失稳比值，锻件在镦粗成形时很容易失稳。为了实现在锻压机上三个工位成形锻件，这就需要在模具设计时采取措施。

模具设计

由于镦粗比大，在模具设计时，需要充分考虑，合理分配各工位镦粗比值，以保证各工步锻件成形良好。

使用Forge软件对各工位成形进行模拟，确定各工位模具型腔尺寸，形成模具装配如图2所示。

镦粗工位

在设计镦粗模具时，除了考虑锻造镦粗比外，模具结构的设计还需要考虑以下几个方面因素。

⑴为保证选择的坯料长度能够放入模具型腔，坯料规格长度的选择，需要考虑到设备的行程和模具的闭合高度。如果设备的行程小于坯料长度，可以增加上下模具之间的间隙值，以满足坯料能够放进型腔。在放入坯料时，可以把坯料先打斜，歪着放入型腔，在坯料逐步落入下模过程中，慢慢扶正坯料。这样，间接地增加了设备可以放入坯料的长度。如果遇到上下模具型腔深度很深，模具所剩余部分的强度不能满足材料承受的锻打冲击强度，这时，可以将模具和模座设计成一个整体，以增加模具的强度，保证锻打过程中模具不破裂。

⑵下料时，坯料的端面斜度对镦粗比有着非常大的影响。坯料端面斜度的存在，会导致坯料在成形时变形不均匀，成形结束时，镦粗件出现如图3所示不对称的变形。

如果斜度非常大，可能需要减小成形的镦粗比，才能使锻件成形良好，这样就会对以后几步成形造成影响，进而导致最终不能成形锻件。因此，建议采用能够保证端面斜度的下料方式进行下料。

图3 变形不均匀

⑶错差因素对成形的影响。锻件错差的影响，一个是会造成坯料镦偏失稳，另一个就是导致在下一步成形时形成折叠。如果设备的精度能够保证错差在可以控制的范围内，模具就不需要采用额外的保证错差的结构，如果不能，上下模具就需要设计锁扣来保证锻件的错差。模具锁扣设计时，除注意锁扣间隙值外，最应该注意的就是锁扣的导向长度。导向长度需要保证，上模型腔底部接触坯料时，模具导向已经啮合，不然设计的锁扣所起的作用将大打折扣。

⑷上下模具之间的间隙值对成形的影响。间隙值越大，越需要精确计算成形部分的体积，因为没有型腔的限制，间隙部位坯料直径的变化难以控制。如果计算不当，会导致此部位变形过大，如超过预锻型腔尺寸，坯料将不能完全放入预锻型腔，轻者会出现预锻成形过程中刮蹭金属形成折叠，严重时则会导致成形彻底失败。

预锻工位

预锻设计时，需要注意的是型腔的体积一定要大于坯料的体积，这样就能够保证预锻件成形时不会在上下模具闭合的间隙部位挤出毛刺。预锻如果出毛刺，在终锻时就会压入锻件形成折叠。如果由于缺乏实际经验，导致预锻体积计算不足，在生产时预锻稍微出毛刺，我们还可以通过微调设备封闭高度，保证在预锻不出毛刺的前提下，在终锻加垫片的方式解决问题。

如果锻件的镦粗比在预锻时仍旧超过镦粗不失稳的正常值，这时，我们预锻上模就需要设计型腔，以保证锻件的成形效果。

终锻工位

终锻模具的设计基本是按部就班，将锻件图按热尺寸进行设计就可以了。在本案例中，需要关注的是上顶杆的尺寸，设计的原则就是要保证芯子的壁厚，如果壁厚不足，在连续生产时，芯子会变形，导致锻件凹槽部位尺寸不合格。另外，根据实际情况，还可以不需要上顶杆，只要保证锻件不粘模就可以了。

如果遇到镦粗比大，预锻件上模还有型腔这种情况，终锻仍旧需要成形锻件。此时，就需要考虑增加导向结构，原则仍旧是在上模芯子接触预锻件时，导向机构已经导向，这样才能够保证锻件凹坑的尺寸以及错差。图4为最终锻打出的锻件实物。

图4 终锻件

结束语

本文重点介绍了轴类件在立式闭式锻造时，锻件成形部分超过锻造镦粗比时的成形工艺和模具设计要点。经过实际生产验证，工艺、设计方案可行。通过此种成形方法，将单件锻件的重量减少了1.23kg，不但降低了我公司自身成本，还为客户减少了加工成本，实现了双赢。