軸承座鍛造工藝與模具設計

本方介紹了一種薄形鍛件的鍛造工藝及模具設計，解決鍛件產品合格率和材料利用率低等各種技術問題，降低生產制造成本。利用金屬塑性成形仿真軟件D E F O R M -3D，對工藝進行仿真分析，仿真結果有效的驗證了工藝方案。用基于模擬驗證的工藝和設計的模具進行生產試制，軸承座鍛件產品的尺寸及性能完全達到了設計要求。

伴隨著我國城市化的快速發(fā)展，許多城市開始建立城市輕軌線路，以緩解出現(xiàn)的交通擁堵現(xiàn)象。國內某公司與加拿大龐巴迪正在合作研究開發(fā)速度更快、效率更高的輕軌機車。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。軸承座在鍛造生產過程中會存在各種技術問題，如頭尾兩端成形困難及切邊變形等。通過常規(guī)的鍛造工藝和模具設計很難實現(xiàn)低成本和高合格率的技術要求。本文介紹了一種鍛造成形工藝和模具設計，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軸承座（圖1），鍛件重11.6kg，材質為16MnDR。軸承座為精密模鍛件，尺寸精度要求較高、機械加工余量少，僅在鍛件背弧和內孔安裝軸承部位有2.5mm 機加余量，其他部位均為非加工面。


⑴產品特點。

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，投影面積達到751.20cm2。整個鍛件外形結構酷似“腕龍”，從頭到脊椎再到尾部長達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。

在鍛造成形過程中，由于腹部薄，投影面過大，金屬流動過程中冷卻速度過快，導致金屬流動困難，型腔不易充滿，尤其是頭尾兩端距離遠容易出現(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題。需合理選擇坯料規(guī)格和設計模具結構，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→中頻感應加熱→自由鍛出坯→模鍛（彎曲- 模鍛）→熱切邊→油壓機熱校正→拋丸→熱處理（正火）→拋丸→終檢（機械性能、硬度、金相、探傷等）。

模具設計

設備噸位的確定

摩擦壓力機的鍛造成形力計算可按下式計算：



式中：α—與模鍛方式有關的系數(shù)，開式模鍛該值為4；F—螺旋壓力機公稱壓力(N)；S 鍛—包括毛邊在內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)，通常可用同溫度下的強度極限σb 代替。

上式適用于打擊一次成形所需的設備噸位，若采用2 ～ 3 次打擊成形，則應按計算值減少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，經計算，F(xiàn) ≈ 41206kN。鍛件在摩擦壓力機上需進行彎曲一錘和模鍛兩錘成形，因此鍛造成形力F 實際=F/2=20603kN<25000kN，可選用2500t 摩擦壓力機。

模具設計

⑴滾擠模設計。

鍛件的截面經過簡化，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480mm。設計了如圖2 所示的滾擠模，保證坯料的一致性和出坯速度。

⑵彎曲模設計。

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行設計，彎曲模在鍛模的側邊。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終鍛模設計。

軸承座產品的開發(fā)，終鍛鍛模設計需要解決主要的鍛造難點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)的設計，料容易從型腔跑到倉部，造成材料利用率低下。按圖4 所示設計阻力墻結構，使得坯料在模鍛初始階段變形流動受到四周阻力墻側壁的限制，提高坯料向外流動的阻力，迫使金屬往兩端流動充滿模膛。




模擬分析

利用金屬塑性成形仿真軟件DEFORM-3D，對工藝和模具進行仿真分析。將φ 115mm×180mm 的坯料加熱到1200℃，經過第一工位鍛造成所需的毛坯經彎曲后，放入終鍛模具型腔中，通過上下模的擠壓成形。模擬初始條件設置如下：材料為AISI-1025，模具材料為AISI-H-13；坯料溫度為1160℃；設備選擇2500t 摩擦壓力機。對象屬性：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。

圖5 為軸承座成形的速度場模擬結果，鍛件兩端的速度場顯示坯料在受到阻力墻側壁的限制后，向兩端的流動速度增大。鍛件的充滿情況良好，模具結構設計滿足設計要求。


工藝試制

根據(jù)模擬結果，采用1t 自由錘鍛和2500t 摩擦壓力機聯(lián)合鍛造生產工藝。棒料經過自由鍛滾擠后壓扁，在彎曲模型腔內經過一錘彎曲，終鍛模型腔兩錘鍛打成功。切邊后進行油壓機熱校正。

鍛造軸承座時采用φ 115mm×180mm 圓棒料，下料重量14.6kg，材料利用率達到79.5％，產品合格率達到99% 以上。模具投入使用后，該鍛件已經進入批量生產驗證，尺寸滿足圖紙要求，鍛件精度高，質量穩(wěn)定。圖6 為切邊工序結束后的產品實物和鍛件正火后的顯微組織（細塊狀的鐵素體+ 珠光體）照片。表1 為鍛件的機械性能。

鍛件開發(fā)初期出現(xiàn)了一些質量問題，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)設計方案設計橋倉部，造成了材料利用率低和合格率較低的情況。通過設計優(yōu)化，設計了阻力墻結構的模具，極大的提高了產品合格率和材料利用率。


結論

⑴采用自由鍛滾擠和模鍛相結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計，提高設計效率，提高產品開發(fā)成功率；

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

——本文選自《鍛造與沖壓》2018年第17期