文／張娜娜，白孝俊，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

471傳動軸鍛件閉式模鍛工藝研究

文／張娜娜，白孝俊，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

近年來，隨著“綠色鍛造”理念的興起，加上鍛造行業(yè)競爭的日趨激烈，迫切需要我們進行節(jié)能降耗以降低生產成本。提高材料利用率成為了首選措施，各鍛造企業(yè)根據自己的產品、設備及技術等實際情況紛紛開發(fā)閉式模鍛工藝。

471傳動軸是我公司為英國某知名公司生產的鍛件，鍛件三維造型如圖1所示。該鍛件材料為17CrNiMo6，最大直徑φ132mm，最小直徑φ49.5mm，總長195mm，重量8.1kg，熱處理方式為等溫退火，硬度要求159～207HBW。該產品結構上并不復雜，屬于大盤細桿類產品，可鍛性稍差，一般采用拔長后終鍛的方式制造。本文依據我公司生產實際，以其為研究對象，研發(fā)一種新型的適合此類產品的閉式模鍛工藝，在16000kN離合器式螺旋壓力機上實現批量生產。

圖1 傳動軸鍛件

工藝分析

471傳動軸最初是在我公司修鍛車間生產，其工藝是棒料經煤氣爐加熱后，在空氣錘上通過自由鍛拔長桿部，然后在胎模里最終鍛打成形，利用該工藝生產出來的鍛件表面質量差，產品質量不穩(wěn)定，生產效率較低，班產只有80件左右。

2007年我公司購進了一臺16000kN離合器式螺旋壓力機，用于生產轉向節(jié)，由于負荷不滿，準備在該設備上開發(fā)其他類型產品。由于該設備打擊速度相對較慢，上下模可以承擊，具備開發(fā)閉式模鍛工藝條件，我公司決定在其上開發(fā)471傳動軸閉式模鍛工藝。

通過分析，我們初步將傳動軸工藝定為：加熱→鐓粗→預鍛→終鍛→打磨→等溫退火→噴丸→防銹→入庫。其中，加熱工序使用中頻感應爐，提高生產效率的同時保證產品外觀質量，棒料鐓粗后去除氧化皮，在預鍛時將頭部和部分桿部擠出，在終鍛時擠出桿部并鐓粗成形大盤。

工藝及工裝設計

鐓粗模具設計

鐓粗模的作用不僅是要去除氧化皮，使坯料直徑變大、高度變低，還起到預先分配金屬的作用。由于在預鍛和終鍛時需要盡量減少金屬水平方向流動（金屬流動劇烈將會導致模具壽命較低），為了減少鍛件充不滿情況，需要讓坯料在水平方向分布均勻，所以鐓粗工步棒料的定位是非常重要的。一般將鐓粗模下模局部設計得比坯料直徑大0.5～1mm（考慮到坯料直徑的正偏差），用于放料定位。有了定位，操作工將很容易將坯料放正，鐓出來的中間坯形狀才規(guī)整，同時也應考慮到鐓粗后的坯料放入預鍛后需要具備良好的定位，所以鐓粗模下模形狀也考慮到了和預鍛模的匹配。鐓粗后坯料的厚度及直徑和預鍛大盤直徑有較大的關系，最大直徑應只比預鍛大盤直徑小1～2mm。為了簡化設計，鐓粗上模直接設計為平模。模具材料使用H13，設計好的鐓粗模如圖2所示。

圖2 鐓粗模

預鍛模具設計

預鍛模的設計至關重要。從鍛件來看，上模部分較短，可以在預鍛全部成形；下模部分桿部細長，預鍛時必須擠出部分桿部，不然終鍛時桿部容易充不滿。但預鍛桿部成形太多，也必然導致預鍛成形力過大，造成設備悶車或損壞模具。我們設計讓桿部成形約1/3，同時也注意到，預鍛后的毛坯無論如何是不能出現殘留毛刺的，最好是預鍛后大盤邊緣局部充不滿，如果出現殘留毛刺，應調整預鍛工步打擊行程或重新設計預鍛型腔。

預鍛模上模（又叫凸模）設計：

⑴為了減少摩擦，在凸模進入凹模部分上做出一圈凹槽，凹槽深度為2mm，寬度大于15mm，防止產生毛刺后摩擦力過大導致設備悶車或損壞模具；

⑵為了防止折紋，凸臺直徑應比終鍛直徑小1mm左右，圓角應比終鍛大；

⑶由于未設計頂出，凸臺斜度應設計在2°左右或更大，防止鍛件粘上模。

預鍛模下模（又叫凹模）設計：

⑴為了提高桿部填充效果，在大盤和桿部的連接處設計了一個45°漏斗形狀的引導段，引導坯料流向桿部；

⑵凹模上設計有一段直段作為導向段引導凸模進入凹模，其長度與鐓粗后坯料的厚度有關，即鐓粗后的坯料放入預鍛型腔后，應比凹模低約10mm，防止沖頭壓住坯料時坯料水平方向流動流出凹模；

⑶頂出設計。直接將桿部下端開通作為頂桿孔，頂桿直徑設計為比鍛件桿部端頭直徑小1mm；

⑷氣孔設計。由于桿部較長，為了改善桿部填充性，應設計氣孔來減少型腔內壓力，該傳動軸在做頂出設計時利用頂桿和桿部的間隙來作為氣孔使用。

預鍛模設計中的關鍵工藝參數是沖頭和凹模的間隙，該間隙和設備導向精度有關，其大小直接影響到鍛件的同軸度，同時影響終鍛工序，如果間隙過大，鍛件出現縱向毛刺，終鍛時將會使鍛件出現折疊，如果間隙過小，將會碰壞沖頭，嚴重的甚至導致設備悶車，該傳動軸取單邊間隙0.25mm。模具材料使用H13，設計好的預鍛模如圖3所示。

圖3 預鍛模

終鍛模具設計

終鍛模的設計相對于預鍛模來說簡單很多，凸模和凹模的間隙與預鍛模設計原則一致。

終鍛上模（凸模）設計：

由于終鍛成形力變大，一般會在大盤邊緣擠出少許縱向毛刺，這時凸模進入凹模部分也應像預鍛模一樣設計一道凹槽，防止鍛件卡在凸模上。

終鍛下模（凹模）設計：

⑴導向段設計。其長度和預鍛后坯料大盤厚度有關，即預鍛坯料放入終鍛模后，應比凹模低10mm以上；

⑵凹模桿部長度應比熱鍛件桿部長2～3mm，防止鍛件桿部出現充不滿；

⑶頂出設計，頂桿直徑和頂桿孔尺寸和預鍛模一樣，并利用其間隙作為氣孔，改善桿部填充情況。

模具材料使用H13，設計好的終鍛模如圖4所示。

圖4 終鍛模

工藝模擬的應用

為了降低開發(fā)成本，采用工藝模擬軟件對工藝方案進行了模擬驗證，確定了工藝方案理論上的可行性，分配好各工步變形量，經過生產驗證，模擬結果和生產實際非常接近，如圖5所示。

圖5 鐓粗、預鍛、終鍛成形模擬

生產驗證

471傳動軸模具制作完成后，開始在我公司16000kN離合器式螺旋壓力機上進行調試，坯料溫度（1150±30）℃，我們逐一調試了鐓粗、預鍛和終鍛工步（圖6），并解決了預鍛出現毛刺、設備悶車、鍛件充不滿、大盤厚度超差等問題，順利進行小批量試生產。

在隨后的小批量試生產驗證時，我們發(fā)現預鍛和終鍛凸模壽命偏低，只有1000件左右，為了解決這一問題，我們改進了預鍛和終鍛凸模，并將凸模設計為鑲塊式來降低模具成本；大批量生產時，471傳動軸班產達到600件左右，材料利用率達到98%，模具壽命約2000件。

圖6 各工步坯料形態(tài)

生產過程注意事項

鍛件生產出來后，通過等溫退火，然后清理掉表面氧化皮，防銹處理后就完成了該傳動軸的鍛件生產過程。在生產過程中應注意以下事項：

⑴由于是閉式模鍛，坯料的大小直接影響到鍛件的厚度方向尺寸，要求原材料采購時直徑偏差至少應符合GB/T 702-2008所規(guī)定的第二組偏差，下料工序下料長度應控制在±0.5mm，管理較好的企業(yè)可以按照重量下料。

⑵為了便于鍛件出模和保證模具壽命，應對模具進行一件一潤滑冷卻，如果鍛件下模容易出現充不滿而模具又沒有氣孔的話，應盡量避免選用會產生較多氣體的脫模劑，我公司使用的是石墨乳。

⑶料溫對鍛件充滿影響較大，應保證料溫符合工藝要求，偏差應至少控制在±30℃以內。

結束語

經過我公司生產驗證，這種“閉式模鍛”生產傳動軸類鍛件的工藝經濟實惠，生產效率高。鍛件流線符合要求，質量穩(wěn)定，拔模斜度只有2°，外觀較好，無充不滿、折紋、折疊等缺陷。通過進一步完善，目前已推廣應用到了驅動輪軸、齒輪、法蘭等多種類型的產品上，實現了批量生產，年產量大概在7萬件。閉式模鍛工藝的成功研發(fā)，不僅進一步提高了我公司鍛件材料利用率，省掉了一道切邊工序，降低了生產成本，且為我公司開發(fā)精鍛工藝奠定了良好的基礎。