文/夏占雪·第一拖拉機股份有限公司工藝材料研究所阮艷靜，潘現(xiàn)芬·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

平地機半軸產(chǎn)品模鍛工藝及質(zhì)量控制

文/夏占雪·第一拖拉機股份有限公司工藝材料研究所阮艷靜，潘現(xiàn)芬·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

半軸是工程機械底盤驅(qū)動部分的關(guān)鍵零件之一，使用過程中承受復(fù)雜的彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷和較大的沖擊載荷，這就要求半軸具有較高的疲勞強度、硬度和良好的耐磨性。半軸的使用壽命除受產(chǎn)品工藝設(shè)計階段的方案和選材影響外，其鍛造生產(chǎn)過程及鍛件質(zhì)量控制也至關(guān)重要。

模鍛工藝及技術(shù)難點分析

如圖1所示，該產(chǎn)品是卡特彼勒公司平地機上的一種半軸產(chǎn)品，該產(chǎn)品法蘭盤較大（直徑為350mm），桿部細長，且桿部直徑、端面法蘭與桿部截面積差異較大，需要對鍛造工藝進行充分的分析才能實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

根據(jù)公司現(xiàn)有設(shè)備狀況與詳細的工藝分析和計算，該產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)需要大噸位的模鍛設(shè)備與制坯工序相結(jié)合的制造工藝才能實現(xiàn)，模鍛設(shè)備初步選擇10t模鍛錘，制坯工序，首先考慮到采用平鍛工藝制坯，但是，由于制坯后桿部也存在局部尺寸的變化，最終確定選用1t自由鍛錘完成制坯工序。最終確定的生產(chǎn)工藝流程為：下料-加熱-自由鍛制坯-加熱-錘上模鍛-切邊。這一工藝方案也存在幾個技術(shù)難點需要工藝設(shè)計階段克服掉：

(1）模鍛成形難度大。

綜合法蘭盤及桿部尺寸結(jié)構(gòu)特點，合理選擇原始坯料規(guī)格，避免鐓粗變形過程中產(chǎn)生彎曲甚至折疊；優(yōu)化自由鍛中間坯桿部直徑和長度的設(shè)計，確保模鍛時適度變形，保證充滿良好。

(2）桿部長，鍛模下模型腔深，鍛件出模困難。

1）分模面的確定：工藝設(shè)計時要從多方面采取預(yù)防措施，在分模面位置選擇上及避免切邊拉毛刺等問題上，確定最優(yōu)的工藝方案與模具結(jié)構(gòu)及分模面（圖2）。

2）拔模斜度確定：法蘭盤和桿部緊靠法蘭的局部長度范圍內(nèi)的拔模斜度設(shè)計為5°（圖1），其余桿部大部分無拔模斜度，使零件易于出模。

圖1 半軸鍛件結(jié)構(gòu)

圖2 半軸鍛模結(jié)構(gòu)

3）錘鍛模桿部型腔和中間坯的合理間隙的選擇，確定合理的參數(shù)，從而減少出模阻力。

4）在錘鍛模下模增加頂出機構(gòu)（圖2），輔助出模。

5）中間坯桿部端頭一端做出一定的錐度（圖3），利于出模。

圖3 半軸中間坯結(jié)構(gòu)

(3）鍛件總長太長、切邊壓床閉合高度有限，切邊時半軸鍛件取放空間不足。

通過設(shè)計一種立式分體旋轉(zhuǎn)凹模切邊模具，將切邊凹模設(shè)計為活動側(cè)開式（圖4），切邊時先旋開凹模，零件水平放入，合上凹模、用插銷緊固，切完邊后零件直接從底座中拉出，從而解決切邊時半軸鍛件取放空間不足的難題。

生產(chǎn)過程中的工序質(zhì)量分析及控制措施

(1）下料工序。

下料質(zhì)量好壞將影響后續(xù)自由鍛制坯甚至模鍛質(zhì)量，下料過程產(chǎn)生缺陷主要有以下幾種。

1）長度超差。下料長度超長或超短，超長可能造成鍛件尺寸超正差、浪費材料，超短則可能導(dǎo)致鍛件充不滿或尺寸小負差。其原因可能是定位擋板設(shè)置失誤或下料過程中定位擋板松動、失準。

2）端面斜度大。端面斜度大是指坯料端面相對于縱軸線的傾斜量超過了規(guī)定的許可值。端面斜度過大時，可能在鍛造過程中形成折疊。其原因可能是由于下料時棒料未夾緊，也可能是帶鋸條齒尖異常磨損，或是帶鋸條張力過小、帶鋸床引導(dǎo)臂不在同一水平線上等等。

圖4 半軸切邊模結(jié)構(gòu)

3）端面毛刺。鋸切棒料時，一般在最后斷開處容易出現(xiàn)毛刺。有毛刺的坯料，加熱時易引起局部過熱、過燒，鍛造時易產(chǎn)生折疊和開裂。其產(chǎn)生原因一是鋸條老化，或者是鋸齒磨損、不夠鋒利，或者是鋸條有斷齒；二是鋸條線速度設(shè)置不合適，一般新鋸條可適當(dāng)快一點、老鋸條則要慢一點。

4）端面裂紋。材料硬度不均和材料偏析較嚴重時易產(chǎn)生端面裂紋。有端部裂紋的坯料，鍛造時裂紋將進一步擴展。

為保證下料質(zhì)量，生產(chǎn)過程中采取了以下預(yù)防控制措施：下料前根據(jù)工藝規(guī)程和工序卡核實材料牌號、規(guī)格、數(shù)量、熔煉爐(批）號。并檢查圓鋼棒料的表面質(zhì)量；下料按照鍛件號、材料牌號、規(guī)格和熔煉爐(批）號分批進行，并在流轉(zhuǎn)跟蹤卡上注明下料件數(shù)，以防止有異料混入；下料時，應(yīng)嚴格執(zhí)行“首檢”、“自檢”、“巡檢”制度，坯料的尺寸公差、端面斜度及端面毛刺等應(yīng)按工藝要求頻次檢驗，檢驗合格并做出產(chǎn)品狀態(tài)標識后方可轉(zhuǎn)序；在下料過程中，如發(fā)現(xiàn)坯料有折疊、結(jié)疤、端面裂紋等肉眼可見的缺陷時，應(yīng)及時報告檢驗人員或工藝人員處置；下料場地應(yīng)保持整潔，不同材料牌號、熔煉爐(批）號、規(guī)格尺寸應(yīng)分別放置、做出明顯標識，避免混料。如需材料代用，必須嚴格履行材料代用審批手續(xù)， 批準后方可下料。

(2）加熱工序。

半軸生產(chǎn)過程中經(jīng)過兩火加熱，自由鍛制坯為煤氣爐加熱，模鍛為感應(yīng)電爐加熱，因此加熱序的預(yù)防控制更復(fù)雜、難度更大；為了保證加熱質(zhì)量我們制定了如下質(zhì)量規(guī)范：

煤氣爐加熱時，不允許直接在高溫區(qū)裝料、不允許火焰直接噴射在坯料表面；在電爐中加熱時，坯料表面不得沾染油污。按相應(yīng)鍛件的工藝規(guī)程要求執(zhí)行加熱規(guī)范，班前應(yīng)進行連續(xù)5～10件坯料加熱溫度的充分驗證，證明加熱參數(shù)穩(wěn)定可靠。坯料因設(shè)備、工裝等問題不能按時鍛造，可采取降溫或出爐等方法處理，推出的坯料應(yīng)做好標記、隔離存放；坯料可以重復(fù)加熱，但加熱次數(shù)不能超過3次。坯料加熱時的料溫應(yīng)用紅外測溫儀實時或定期監(jiān)測，并做好加熱記錄。

(3）制坯工序。

制坯時常見缺陷有中間坯桿部直徑或長度超差、表面錘痕（圖5）、臺階過渡不良等。桿部直徑超正差則模鍛時難以順利放入型腔，桿部小負差則可能因模鍛時桿部的間隙大造成鍛件同軸度超差；表面錘痕和臺階過渡不良則可能導(dǎo)致最終鍛件表面凹坑或折疊。

圖5 中間坯缺陷

(4）模鍛切邊工序。

半軸模鍛成形過程中的主要缺陷有折疊、充不滿、欠壓（未打靠）、錯移等。

1）折疊。半軸的折疊常見于法蘭端面，或在臺階圓角或在法蘭盤中間，一般呈圓弧形甚至半圓形。折疊的形成與坯料或中間坯的質(zhì)量、模具的設(shè)計制造和潤滑情況、模具和錘頭的緊固及鍛造的實際操作等有關(guān)。折疊在鍛件處于紅熱狀態(tài)時一般可以用肉眼觀察到，但通常在后序能通過磁粉探傷檢驗，如圖6。

圖6 折疊缺陷

2）局部充不滿。半軸鍛件的局部充不滿主要發(fā)生在桿部或法蘭盤外圓圓角處，表現(xiàn)為圓角過大或尺寸不符合要求。充不滿會導(dǎo)致鍛件的加工余量減少，嚴重時加工留黑皮報廢。充不滿產(chǎn)生的原因可能是：中間坯或坯料設(shè)計選擇不合理，其直徑或長度不合格；鍛造溫度低，金屬流動性差；鍛模潤滑不足；模膛中堆積氧化皮等。

3）錯移。錯移是鍛件沿分模面的上半部相對于下半部產(chǎn)生位移。錯移會影響機加工定位，導(dǎo)致局部加工余量不足。產(chǎn)生的原因可能是：錘頭與導(dǎo)軌之間的間隙過大；鍛模鎖扣間隙設(shè)計不合理；模具安裝不良。

(5）切邊工序。

切邊工序主要質(zhì)量缺陷為殘留飛邊大或不均。殘留飛邊大或不均可能影響機加工定位裝卡，除局部加工余量增大、還會導(dǎo)致加工偏，甚至可能因斷續(xù)切削導(dǎo)致打刀。產(chǎn)生的原因可能是：切邊模的沖頭、凹模間隙設(shè)計不合理或者凹模磨損老化（如圖7）。

圖7 切邊缺陷

為防止上述各類缺陷的產(chǎn)生、確保鍛件質(zhì)量，我們制定并采取了一系列防控措施：通過設(shè)計評審和工藝驗證確定合適的坯料或中間坯尺寸；在模具設(shè)計、驗證階段，除常規(guī)的型腔布局、橋部和倉部設(shè)計外，特別注意了臺階圓角和鎖扣間隙，預(yù)防折疊和錯移，嚴格下料、加熱、自由鍛制坯等序的過程質(zhì)量控制，重點關(guān)注坯料端面斜度和端面毛刺、中間坯的臺階過渡和桿部長度、料溫等。

結(jié)束語

世界著名的管理咨詢公司—麥肯錫公司將企業(yè)的質(zhì)量管理水平分為四個等級，其中預(yù)防級僅次于完美級，即好的質(zhì)量管理應(yīng)“防患于未然”、“勝于無形”。為提高半軸鍛件質(zhì)量，預(yù)防鍛件缺陷的產(chǎn)生，我們分析其成因、采取了相應(yīng)的 “預(yù)防措施”，在工藝開發(fā)階段即做好“質(zhì)量設(shè)計”，以保證質(zhì)量問題在“源頭”得到根本解決。