軸承座鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)

本方介紹了一種薄形鍛件的鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)，解決鍛件產(chǎn)品合格率和材料利用率低等各種技術(shù)問(wèn)題，降低生產(chǎn)制造成本。利用金屬塑性成形仿真軟件D E F O R M -3D，對(duì)工藝進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果有效的驗(yàn)證了工藝方案。用基于模擬驗(yàn)證的工藝和設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行生產(chǎn)試制，軸承座鍛件產(chǎn)品的尺寸及性能完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

伴隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展，許多城市開(kāi)始建立城市輕軌線路，以緩解出現(xiàn)的交通擁堵現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)某公司與加拿大龐巴迪正在合作研究開(kāi)發(fā)速度更快、效率更高的輕軌機(jī)車(chē)。軸承座（圖1）屬于其中有代表性的鍛件，投影面積大而鍛件大部分厚度非常薄。軸承座在鍛造生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)存在各種技術(shù)問(wèn)題，如頭尾兩端成形困難及切邊變形等。通過(guò)常規(guī)的鍛造工藝和模具設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)低成本和高合格率的技術(shù)要求。本文介紹了一種鍛造成形工藝和模具設(shè)計(jì)，成功解決了薄形鍛件難成形的鍛造工藝難題。

軸承座的鍛造工藝性分析

我公司承制的某型號(hào)軸承座（圖1），鍛件重11.6kg，材質(zhì)為16MnDR。軸承座為精密模鍛件，尺寸精度要求較高、機(jī)械加工余量少，僅在鍛件背弧和內(nèi)孔安裝軸承部位有2.5mm 機(jī)加余量，其他部位均為非加工面。


⑴產(chǎn)品特點(diǎn)。

鍛件投影面大、腹板薄、截面變化大。鍛件的包容體尺寸為437.2mm×248.9mm×60mm，投影面積達(dá)到751.20cm2。整個(gè)鍛件外形結(jié)構(gòu)酷似“腕龍”，從頭到脊椎再到尾部長(zhǎng)達(dá)510mm，厚度僅為18mm。“腕龍”的腳和肚子部位厚度從18mm 急劇變化到60mm。頭部和尾巴兩端截面面積從450mm2 變化到化到542mm2，中間最大截面面積11206mm2。

⑵鍛造難點(diǎn)。

在鍛造成形過(guò)程中，由于腹部薄，投影面過(guò)大，金屬流動(dòng)過(guò)程中冷卻速度過(guò)快，導(dǎo)致金屬流動(dòng)困難，型腔不易充滿，尤其是頭尾兩端距離遠(yuǎn)容易出現(xiàn)缺肉現(xiàn)象。

軸承座主軸方向上截面形狀變化劇烈，容易出現(xiàn)充不滿，折疊以及利用率低等問(wèn)題。需合理選擇坯料規(guī)格和設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，合理分配坯料，降低鍛件成形力，提高鍛件合格率和材料利用率。

⑶鍛造工藝流程。

下料→中頻感應(yīng)加熱→自由鍛出坯→模鍛（彎曲- 模鍛）→熱切邊→油壓機(jī)熱校正→拋丸→熱處理（正火）→拋丸→終檢（機(jī)械性能、硬度、金相、探傷等）。

模具設(shè)計(jì)

設(shè)備噸位的確定

摩擦壓力機(jī)的鍛造成形力計(jì)算可按下式計(jì)算：



式中：α—與模鍛方式有關(guān)的系數(shù)，開(kāi)式模鍛該值為4；F—螺旋壓力機(jī)公稱壓力(N)；S 鍛—包括毛邊在內(nèi)的鍛件在分模面上的投影面積(mm2)；V 鍛—鍛件體積(mm3)；σs—鍛件在終鍛溫度下的屈服極限(MPa)，通?？捎猛瑴囟认碌膹?qiáng)度極限σb 代替。

上式適用于打擊一次成形所需的設(shè)備噸位，若采用2 ～ 3 次打擊成形，則應(yīng)按計(jì)算值減少1/2。

σs 按終鍛溫度900 ℃ 取值55MPa；S 鍛=76820mm2；V 鍛≈ 1480500mm3；把參數(shù)代入公式，經(jīng)計(jì)算，F(xiàn) ≈ 41206kN。鍛件在摩擦壓力機(jī)上需進(jìn)行彎曲一錘和模鍛兩錘成形，因此鍛造成形力F 實(shí)際=F/2=20603kN<25000kN，可選用2500t 摩擦壓力機(jī)。

模具設(shè)計(jì)

⑴滾擠模設(shè)計(jì)。

鍛件的截面經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，將自由鍛的坯料的外形優(yōu)化成類似紡錘體形狀，中間坯料直徑為φ 120mm，兩頭直徑最小為φ 32mm，總長(zhǎng)480mm。設(shè)計(jì)了如圖2 所示的滾擠模，保證坯料的一致性和出坯速度。

⑵彎曲模設(shè)計(jì)。

鍛件呈“腕龍”形狀，頭尾脊線角度為145°。彎曲模的形狀和角度尺寸根據(jù)熱鍛件的脊線變化進(jìn)行設(shè)計(jì)，彎曲模在鍛模的側(cè)邊。將自由鍛制好的坯料壓扁后放入彎曲模，彎曲后的坯料可直接放入終鍛模膛。


圖3 彎曲模的二維示意圖
⑶終鍛模設(shè)計(jì)。

軸承座產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，終鍛鍛模設(shè)計(jì)需要解決主要的鍛造難點(diǎn)為鍛件的頭尾兩端充滿。

1) 鍛件終鍛模的型腔尺寸按鍛件圖加放收縮率即可。

2) 鍛件的腹板投影面大且厚度薄，反映在模具上就是模膛寬而且淺，按常規(guī)的設(shè)計(jì)，料容易從型腔跑到倉(cāng)部，造成材料利用率低下。按圖4 所示設(shè)計(jì)阻力墻結(jié)構(gòu)，使得坯料在模鍛初始階段變形流動(dòng)受到四周阻力墻側(cè)壁的限制，提高坯料向外流動(dòng)的阻力，迫使金屬往兩端流動(dòng)充滿模膛。




模擬分析

利用金屬塑性成形仿真軟件DEFORM-3D，對(duì)工藝和模具進(jìn)行仿真分析。將φ 115mm×180mm 的坯料加熱到1200℃，經(jīng)過(guò)第一工位鍛造成所需的毛坯經(jīng)彎曲后，放入終鍛模具型腔中，通過(guò)上下模的擠壓成形。模擬初始條件設(shè)置如下：材料為AISI-1025，模具材料為AISI-H-13；坯料溫度為1160℃；設(shè)備選擇2500t 摩擦壓力機(jī)。對(duì)象屬性：坯料為塑性體，模具為剛性體；摩擦系數(shù)為0.3；熱傳遞系數(shù)：坯料與空氣換熱系數(shù)取為0.02N·(mm·s·℃ )-1，模具與坯料之間的熱傳遞系數(shù)取為11N·(mm·s·℃ )-1，模具與空氣換熱忽略不計(jì)。

圖5 為軸承座成形的速度場(chǎng)模擬結(jié)果，鍛件兩端的速度場(chǎng)顯示坯料在受到阻力墻側(cè)壁的限制后，向兩端的流動(dòng)速度增大。鍛件的充滿情況良好，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。


工藝試制

根據(jù)模擬結(jié)果，采用1t 自由錘鍛和2500t 摩擦壓力機(jī)聯(lián)合鍛造生產(chǎn)工藝。棒料經(jīng)過(guò)自由鍛滾擠后壓扁，在彎曲模型腔內(nèi)經(jīng)過(guò)一錘彎曲，終鍛模型腔兩錘鍛打成功。切邊后進(jìn)行油壓機(jī)熱校正。

鍛造軸承座時(shí)采用φ 115mm×180mm 圓棒料，下料重量14.6kg，材料利用率達(dá)到79.5％，產(chǎn)品合格率達(dá)到99% 以上。模具投入使用后，該鍛件已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)驗(yàn)證，尺寸滿足圖紙要求，鍛件精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。圖6 為切邊工序結(jié)束后的產(chǎn)品實(shí)物和鍛件正火后的顯微組織（細(xì)塊狀的鐵素體+ 珠光體）照片。表1 為鍛件的機(jī)械性能。

鍛件開(kāi)發(fā)初期出現(xiàn)了一些質(zhì)量問(wèn)題，主要缺陷是鍛件未充滿，主要發(fā)生在鍛件兩端和叉口部位（圖7）。前期按照常規(guī)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)橋倉(cāng)部，造成了材料利用率低和合格率較低的情況。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了阻力墻結(jié)構(gòu)的模具，極大的提高了產(chǎn)品合格率和材料利用率。


結(jié)論

⑴采用自由鍛滾擠和模鍛相結(jié)合的工藝可一火成形精度要求高的軸承座鍛件；

⑵采用數(shù)值模擬方法可以有效輔助鍛造工藝的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成功率；

⑶采用阻力坎的橋部設(shè)計(jì)，鍛件成形效果好，未出現(xiàn)充不滿、穿筋等缺陷，尺寸達(dá)到要求，質(zhì)量穩(wěn)定。

——本文選自《鍛造與沖壓》2018年第17期