大型支座锻件工艺开发及优化提高

随着大型矿山开采和大型基础建设工程设备和技术的发展，工程机械正在朝着节能化、智能化、大型化方向发展，其中非公路自卸汽车不断朝着大型化发展，达到200t甚至更多的一次运载量，超大型挖掘机为适应自卸汽车大型化趋势开发出来，其巨大斗容量使单位时间内完成的工作量增加，保证了在联合作业中较高的生产效率。

大型支座零件是超大型挖掘机大臂上的关键零件，大臂主要作用是用来支配挖斗的挖掘、装车等动作，其结构一般是箱体式的，在关键部位使用锻件满足整体刚度和强度要求。其形状一般为回转体，结构复杂，方便与箱体焊接连接，边缘比较薄，锻造成形工艺性比较差，大型支座锻件如图1所示。

模锻成形工艺分析

此锻件为超大型挖掘机大臂上使用的零件，最大外径尺寸为660mm，总高度为250mm，中间最大盘部外缘最薄处仅为25mm，上模环形较窄凸环高度尺寸为85mm，宽度尺寸仅为26mm，锻件重量达到190kg，由于其形状结构复杂，锻造成形工艺性较差，存在盘部打不靠及环形凸环较难充满的质量隐患；根据《锻工手册》模锻锤锻打压力经验公式进行计算，只计算包括桥部宽度在内的锻件投影面积，此锻件最大锻打压力达到25t，最小为14.3t，通过锻打压力计算，我公司只有16t模锻锤能满足此零件锻打工艺要求。

虽然此零件形状结构复杂，锻件重量偏重，但属于典型的回转体零件，常规模锻成形工艺设计为镦粗和模锻联合成形工艺，考虑我公司设备布局现状，结合现有锻件生产经验，决定在16t模锻锤上采用直接模锻成形，可以提高生产效率，降低模具成本。

工艺设计

初始模锻工艺方案分析

根据产品图及模锻成形工艺分析设计锻件图，依据锻件最大外形轮廓及保证锻件能从模膛中出模的分模原则，锻件分模面设计在盘部中间位置，这样设计的好处是切边后较容易检查锻件错移量，防止切边后产生纵向毛刺，增加打磨工作量，还能消除锻件翘曲变形，最终决定分模面设计在盘部中间偏下位置2/5处；环形凸环设计在上模，上模金属在成形过程中流动较快且具有反挤压作用，更容易充满整个较窄环部；考虑到锻件生产低成本要求，降低上模高度尺寸，减少模块浪费，中间孔连皮设计成斜底连皮并且位于偏上位置，需要在切边时把中间孔斜底连皮冲下来形成通孔，初始模锻工艺方案锻件结构确定为图2所示。

图5为模锻成形过程中上模所受载荷变化曲线走势，在锻造过程中，随着坯料变形量的增加，上模所受载荷不断增加，在锻造末期即最外侧飞边刚形成时，模具型腔即将充满，上模所受载荷急剧增大。这时锻模型腔逐渐形成封闭空间，由于固体不可压缩，且多余的坯料逐渐开始往外流动形成飞边，需要较大的锻打压力把多余的金属排出模具型腔使锻件厚度尺寸达到要求。因此，上模载荷急剧增加，直至锻打结束，载荷达到最大值。

落实新时代党的建设总要求，以党的政治建设为统领，把坚持党的领导、加强党的建设紧紧抓在手上，扎实开展“不忘初心，牢记使命”主题教育。加强工会干部教育培训，加大工会干部协管力度，加强对师级工会领导班子的考核和监督，提高工会干部队伍整体素质。认真贯彻落实党中央关于兵团深化改革和向南发展的部署要求，准确把握任务目标，及时掌握职工思想动态，凝聚广大职工拥护改革、支持改革、参与改革的思想共识和智慧力量。认真贯彻落实《新疆生产建设兵团群团改革方案》《新疆生产建设兵团工会改革实施方案》，以增强政治性先进性群众性为目标，以更大力度、更实举措深化工会改革，推动兵团工会全面履行地方总工会职能。□

正式模锻工艺方案设计

依据锻件、冲孔连皮和飞边的总体积，加上金属的加热烧损率计算出所需坯料体积，再根据坯料在镦粗时不致产生弯曲现象以及备料方便，按照坯料长度与直径最大镦粗比计算出坯料规格直径最小为

255mm。根据对模锻初始工艺方案坯料定位的分析以及低成本采购坯料的考量，结合下模型腔结构，经过分析论证坯料直径规格调整为

260mm，依据此直径规格及坯料定位要求重新设计的内孔结构如图3所示。此方案比初始方案坯料重量增加8.7kg，锻件成本相应增加，后续机加工时需要增加钻孔工序，机加工成本上升，但此工艺实现了坯料在模具型腔中准确定位，降低了操作工的劳动强度，锻件质量得到了保证。防止锤锻模在生产过程中产生错移，并且考虑降低模具成本，舍弃了传统圆形锁扣，改进成四角锁扣，锤锻模块尺寸更紧凑，缩短了锤锻模安装调整时间，降低了操作工的劳动强度。

由于我公司采用在16t模锻锤上直接模锻成形工艺，对坯料定位要求很高，否则容易造成中间盘部外缘局部充不满。另一侧存在厚度尺寸大打不靠现象，或盘部整圈厚度尺寸相差较大对后续机加工造成诸多影响，初始模锻工艺方案不便于实现坯料定位要求。经过详细计算实现准确定位，直径规格需要调整增加到

330mm。但较大的直径规格使加热效率偏低，影响生产效率，较高的采购成本使锻件的生产成本偏高。因此，此初始模锻工艺方案需要优化改进才适合批量生产。

模锻工艺模拟分析

模锻工艺方案模拟分析

图6为模锻成形结束时金属流动趋势，上模金属流动趋势大体呈现出由上向下及向外侧，下模金属流动趋势大体呈现出由内向外，这是因为锻件外侧盘部比较薄，金属流动较慢，此处最后充满型腔，并且多余的金属需要流出模具型腔形成飞边，金属流动趋势符合镦粗成形工艺要求，满足锻件使用要求。

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锻打载荷曲线及金属流动趋势

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图4为DEFORM有限元模拟技术分析的成形过程，在成形过程中由于上模中间位置存在圆形凸台，从而形成二级台阶，影响金属流动，模锻成形过程中在模拟分析1300步时出现了金属流动形成折叠的趋势，随着坯料变形逐渐增加，在1500步时金属流动形成折叠的趋势达到最明显程度。之后，随着坯料变形的继续增加，金属继续向圆周外侧流动且受到模具结构限制的影响趋势逐渐减缓，在1900步时金属流动形成折叠的趋势逐渐消失，继续观察模拟分析后续成形过程直至成形过程结束，没有再出现其他质量隐患。从整个锻造成形模拟过程分析，前期出现金属流动形成折叠的趋势，经过变形的继续增加，最终金属流动形成折叠的趋势逐渐减缓直至消失，因此，锻件可能存在折叠质量隐患。根据工艺分析判断上模凹窝斜面上由于存在圆形凸台可能会出现折叠现象，实际生产中，由于坯料端面斜度偏大等各种因素影响，会加大折叠出现的几率，为了验证模拟分析软件的真实有效性和具体折叠位置，决定采用改进后正式模锻工艺方案进行调试生产验证。

采用DEFORM有限元模拟分析软件进行模锻成形过程模拟分析。首先对所述的模锻工艺建立锻件成形的有限元模型上模、下模和坯料。模锻成形主要工艺参数设置如下：坯料材料为35Mn钢(DEFORM模拟分析选择用JIS-S45C代替)，规格尺寸为

260mm×495mm，坯料加热温度为1150℃，模具预热温度为200℃，成形力选择为静压力模拟分析，上模进给速度选择为100mm/s，其他模拟分析时需要的参数设置按照常规一般要求进行设置。

工艺调试及优化提高

首次工艺调试验证

大型支座锻件的锤锻模和切边模全套工艺设计完成后，进行模具加工制造，全套工装到位后进行了样件首次调试生产，最终锻件见图7。燃气加热炉坯料温度设定为1150℃，坯料经过充分加热出炉后使用手持高压水枪清理坯料表面氧化皮，锤锻模下模型腔里撒上锯末；操作机把坯料竖立放到模具下模型腔里，坯料定好位，不需要操作工进行调整；16t模锻锤轻击两至三锤后，操作机夹持坯料脱离下模型腔，操作工使用压缩空气清理下模型腔氧化皮；然后进行重锤锻打成形，直至坯料各个部位完全充满模具型腔；锻打完成后操作机把锻件转移到切边模进行切边，整个调试过程基本顺利。样件经划线检查符合图纸要求，锻打调试完成后进行调质处理并进行着色探伤检查折纹情况，上模型腔里发现三件存在较浅折叠现象，经打磨可消除，打磨后满足锻件质量要求。

工艺优化提高

根据第一次样件调试结果情况分析，折纹比例达到了20%，后续需要进行调质处理。折纹隐患很可能引起淬火裂纹延伸，导致锻件报废，为了完全消除折叠质量隐患及降低操作工打磨劳动强度，对模锻成形工艺进行改进。改进后锻件结构如图8所示，上模中间圆形凸台取消，改成整体圆锥，这样改善了金属流动趋势。经过再次有限元模拟分析得知，整个模锻成形过程中金属流动不再出现折叠现象，折叠质量隐患得到完全消除。经过几个批次的批量生产验证，没有出现折叠质量隐患，锻件质量得到可靠保证。

在设计螺旋结构时，在进料口端应将螺旋轴上的螺旋叶片布满，可预防进料口内侧形成饲料的堆积而形成板结，还能有效地防止粉末料由螺旋输送器端盖缝隙中溢出而造成轴承的腐蚀；在出料口端，进料口和出料口的两个内侧面之间应至少大于1.5个螺旋节距，以防止螺旋停止转动后，进料口和出料口之间未被螺旋叶片完全封闭而造成漏料现象。为了达到较高的下料精度，螺旋加工时需合理控制其误差，本设备选用连续冷轧螺旋叶片，在小批量生产时，也可直接车削加工。

结束语