文／劉永康，莊日松·江蘇威鷹機(jī)械有限公司

過(guò)濾器在工程機(jī)械中的作用就如同腎臟之于人體，讓工程機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)內(nèi)的油液保持無(wú)雜質(zhì)的清潔狀態(tài)，對(duì)工程機(jī)械能否正常使用至關(guān)重要。為了能夠充分發(fā)揮工程機(jī)械液壓濾清器的設(shè)計(jì)功能，往往需要在濾清作業(yè)中對(duì)液體加壓，以達(dá)到增大流量、快速濾清的效果，因此，過(guò)濾器外殼(圖1)的承壓能力將對(duì)整個(gè)濾清系統(tǒng)起到重要的作用。

圖1 某過(guò)濾器外殼

初始工藝方案：溫/熱鍛+冷鍛

在我司目前已量產(chǎn)的產(chǎn)品中，小、中型過(guò)濾器外殼及DCT 汽車變速器蓄能器外殼，可謂是與之為同類型產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)成本核算及性能試驗(yàn)，原有的熱鍛+冷鍛的方式并不是最優(yōu)解。

溫/熱鍛中存在的問(wèn)題

溫/熱鍛顧名思義，在鍛造起始時(shí)需要對(duì)坯料進(jìn)行加熱，但是重型零件加熱設(shè)備的通用性、能源的利用率相對(duì)來(lái)說(shuō)都比中小型零件表現(xiàn)的差很多。此零件毛坯重量達(dá)到了19.5kg，通過(guò)熱鍛工藝加工的耗料更是達(dá)到了23.5kg，以φ120mm 的棒料為例，下料長(zhǎng)度需要264.7mm，此時(shí)的長(zhǎng)徑比為2.2，使用中頻加熱的方式，很難確定棒料的中心溫度與表面溫度是否一致，且如此大小的中頻爐膛使用頻率極低，通用性極差。

在熱鍛過(guò)程中，受大變形量及設(shè)備噸位的限制，會(huì)將加熱溫度提高到1200℃左右，此時(shí)棒料表面會(huì)產(chǎn)生大量的氧化皮，雖然在產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)考慮增加除鱗工序，但并不能達(dá)到表面無(wú)凹坑的效果。高溫除了會(huì)導(dǎo)致零件氧化還會(huì)使鍛造模具的磨損加劇，以成形上模為例，模料選用H13，熱處理硬度58HRC，經(jīng)過(guò)600 件鍛造后，模具磨損程度已無(wú)法接受，需要返修模具后再生產(chǎn)。模具壽命低，且無(wú)法開(kāi)展有效率的生產(chǎn)工作。另外，較高的加熱溫度還會(huì)使鍛造后的金相組織異常，需要通過(guò)正火進(jìn)行改善，重型零件的每一次搬運(yùn)都會(huì)產(chǎn)生較高的成本，并且出爐溫度550℃，對(duì)生產(chǎn)操作人員很不友好。除此以外，熱鍛產(chǎn)品的制坯余量相對(duì)較大，因此，料耗也相對(duì)較高。

純冷鍛工藝中存在的技術(shù)性難題

從零件結(jié)構(gòu)上不難發(fā)現(xiàn)，此產(chǎn)品屬于深孔型零件，適合反擠工藝；零件材料為20 號(hào)鋼，適合冷鍛。初步工藝設(shè)想為冷反擠出坯(圖2)，再冷拔長(zhǎng)(圖3)。在實(shí)際的工藝開(kāi)發(fā)試制中出現(xiàn)的問(wèn)題如下。

圖2 冷反擠壓出坯

圖3 冷拔長(zhǎng)

上下模具的力學(xué)極限

使用有限元軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行FEA 鍛造力分析，從棒料鍛造至圖2 毛坯產(chǎn)品，需要2115 噸，如圖4所示。鍛造模具上模最小直徑為106.6mm，據(jù)此計(jì)算上模單位面積力為2352MPa，符合小于2500MPa的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 鍛造成形力分析

上、下模具的表面拉毛問(wèn)題

坯料在模具內(nèi)的流動(dòng)會(huì)對(duì)模具表面形成一定的磨損，在流動(dòng)的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的變形熱。鍛造后產(chǎn)生的瞬間高溫為500℃，如圖5 所示；鍛造結(jié)束后的鍛坯內(nèi)部溫度為256℃，如圖6 所示。

圖5 鍛造后產(chǎn)生的瞬間高溫為500℃

圖6 鍛造結(jié)束后的鍛坯內(nèi)部溫度為256℃

硬質(zhì)合金模具的硬度很高，但韌性很差，需要在外圈有較大的預(yù)緊力的情況下才能有較好的使用效果，在此模具結(jié)構(gòu)的限制下，無(wú)法使用硬質(zhì)合金材料以抵抗模具與坯料的粘連。在變形熱與大流量的雙重作用下，很容易產(chǎn)生模具沖頭粘料、拉毛現(xiàn)象。

冷拔長(zhǎng)鍛造比的選擇

冷鍛出坯后，產(chǎn)品的表面和心部均有不同程度的硬度提升，金相組織也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，如不能合理的設(shè)置冷拔長(zhǎng)的鍛造比，可能會(huì)引起產(chǎn)品拉裂、拉斷，如圖7 所示，正確鍛造比下的鍛造情況如圖8 所示；如設(shè)置過(guò)小的鍛造比，除了會(huì)增加鍛造道次，更會(huì)因鍛前料坯過(guò)長(zhǎng)，設(shè)備的開(kāi)口高度不夠，無(wú)法實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的工藝。

圖7 鍛造比不合適引起產(chǎn)品拉裂、拉斷

圖8 合適的鍛造比設(shè)置產(chǎn)品良好

試制情況及問(wèn)題解決

選用直徑為170mm 的原材料下料，進(jìn)行球化退火處理，金相組織如圖9 所示，球化后的原材料能夠滿足球化率不小于80%的要求，硬度不大于65HRB，為冷鍛打下良好基礎(chǔ)。

圖9 球化退火處理后的金相組織

為防止在冷反擠過(guò)程中產(chǎn)生拉毛，對(duì)上下模的表面粗糙度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，另外對(duì)坯料的表面磷皂化也做了較為嚴(yán)格的控制。

圖10 為冷反擠后的產(chǎn)品，設(shè)備主缸壓力表顯示為19MPa，換算噸位2280t，與有限元分析差異4%，可認(rèn)為符合理論預(yù)測(cè)，無(wú)其他異常因素影響。

圖10 冷反擠后的產(chǎn)品

后續(xù)幾道冷鍛拔長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮合理的鍛造比，使得產(chǎn)品能夠順利生產(chǎn)，圖11 所示為拔長(zhǎng)1、拔長(zhǎng)2、拔長(zhǎng)3、拔長(zhǎng)4 產(chǎn)品圖片。

圖11 冷鍛拔長(zhǎng)過(guò)程

在理論的分析下，預(yù)先設(shè)置了較為合理的鍛造過(guò)程參數(shù)，經(jīng)過(guò)合理的模具表面處理，棒料表面處理，使得整個(gè)鍛造過(guò)程無(wú)異常情況，當(dāng)然，我司的設(shè)備多樣性具有得天獨(dú)厚的條件，從3000t液壓機(jī)到315t大行程液壓機(jī)，使得我們?cè)诠に囋O(shè)計(jì)上可以放開(kāi)手腳，努力將各個(gè)環(huán)節(jié)做到與工藝設(shè)想相吻合。

如前文提到，零件的性能要求相對(duì)較為嚴(yán)格，抗拉強(qiáng)度要求不小于500MPa，屈服強(qiáng)度不小于350MPa，延伸率不小于8%。對(duì)此，我們送檢了第三方，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。圖12 為以冷鍛工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品性能測(cè)試結(jié)果，圖13 為熱鍛+冷鍛工藝生產(chǎn)的零件的性能檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)兩份報(bào)告可以看出，冷鍛產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度相對(duì)提高21.7%，屈服強(qiáng)度相對(duì)提高19.2%，延伸率有所下降。

圖12 冷鍛工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品性能測(cè)試結(jié)果

圖13 熱鍛+冷鍛工藝生產(chǎn)的零件的性能檢測(cè)結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

此次工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得深腔鋼筒類產(chǎn)品完成了從熱鍛+冷鍛到純冷鍛的工藝轉(zhuǎn)變，大大縮短了工藝路線長(zhǎng)度，提高了零件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，與此同時(shí)，提高了管理效率，降低了生產(chǎn)成本；從材料學(xué)的角度考慮，延伸率有所下降在情理之中，、因?yàn)樵诳蛻舻氖褂眠^(guò)程中，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度才至關(guān)重要。