文／張國宏，陳博，郭曉曉，尹松森 · 第一拖拉機股份有限公司鑄鍛廠
隨著大型礦山開采和大型基礎建設工程設備和技術的發展，工程機械正在朝著節能化、智能化、大型化方向發展，其中非公路自卸汽車不斷朝著大型化發展，達到200t甚至更多的一次運載量，超大型挖掘機為適應自卸汽車大型化趨勢開發出來，其巨大斗容量使單位時間內完成的工作量增加，保證了在聯合作業中較高的生產效率。
大型支座零件是超大型挖掘機大臂上的關鍵零件，大臂主要作用是用來支配挖斗的挖掘、裝車等動作，其結構一般是箱體式的，在關鍵部位使用鍛件滿足整體剛度和強度要求。其形狀一般為回轉體，結構復雜，方便與箱體焊接連接，邊緣比較薄，鍛造成形工藝性比較差，大型支座鍛件如圖1所示。
圖1 大型支座鍛件三維造型及截面形狀圖
模鍛成形工藝分析
此鍛件為超大型挖掘機大臂上使用的零件，最大外徑尺寸為660mm，總高度為250mm，中間最大盤部外緣最薄處僅為25mm，上模環形較窄凸環高度尺寸為85mm，寬度尺寸僅為26mm，鍛件重量達到190kg，由于其形狀結構復雜，鍛造成形工藝性較差，存在盤部打不靠及環形凸環較難充滿的質量隱患；根據《鍛工手冊》模鍛錘鍛打壓力經驗公式進行計算，只計算包括橋部寬度在內的鍛件投影面積，此鍛件最大鍛打壓力達到25t，最小為14.3t，通過鍛打壓力計算，我公司只有16t模鍛錘能滿足此零件鍛打工藝要求。
雖然此零件形狀結構復雜，鍛件重量偏重，但屬于典型的回轉體零件，常規模鍛成形工藝設計為鐓粗和模鍛聯合成形工藝，考慮我公司設備布局現狀，結合現有鍛件生產經驗，決定在16t模鍛錘上采用直接模鍛成形，可以提高生產效率，降低模具成本。
工藝設計
初始模鍛工藝方案分析
根據產品圖及模鍛成形工藝分析設計鍛件圖，依據鍛件最大外形輪廓及保證鍛件能從模膛中出模的分模原則，鍛件分模面設計在盤部中間位置，這樣設計的好處是切邊后較容易檢查鍛件錯移量，防止切邊后產生縱向毛刺，增加打磨工作量，還能消除鍛件翹曲變形，最終決定分模面設計在盤部中間偏下位置2/5處；環形凸環設計在上模，上模金屬在成形過程中流動較快且具有反擠壓作用，更容易充滿整個較窄環部；考慮到鍛件生產低成本要求，降低上模高度尺寸，減少模塊浪費，中間孔連皮設計成斜底連皮并且位于偏上位置，需要在切邊時把中間孔斜底連皮沖下來形成通孔，初始模鍛工藝方案鍛件結構確定為圖2所示。
圖2 鍛件初始模鍛工藝方案
由于我公司采用在16t模鍛錘上直接模鍛成形工藝，對坯料定位要求很高，否則容易造成中間盤部外緣局部充不滿。另一側存在厚度尺寸大打不靠現象，或盤部整圈厚度尺寸相差較大對后續機加工造成諸多影響，初始模鍛工藝方案不便于實現坯料定位要求。經過詳細計算實現準確定位，直徑規格需要調整增加到φ330mm。但較大的直徑規格使加熱效率偏低，影響生產效率，較高的采購成本使鍛件的生產成本偏高。因此，此初始模鍛工藝方案需要優化改進才適合批量生產。
正式模鍛工藝方案設計
依據鍛件、沖孔連皮和飛邊的總體積，加上金屬的加熱燒損率計算出所需坯料體積，再根據坯料在鐓粗時不致產生彎曲現象以及備料方便，按照坯料長度與直徑最大鐓粗比計算出坯料規格直徑最小為φ255mm。根據對模鍛初始工藝方案坯料定位的分析以及低成本采購坯料的考量，結合下模型腔結構，經過分析論證坯料直徑規格調整為φ260mm，依據此直徑規格及坯料定位要求重新設計的內孔結構如圖3所示。此方案比初始方案坯料重量增加8.7kg，鍛件成本相應增加，后續機加工時需要增加鉆孔工序，機加工成本上升，但此工藝實現了坯料在模具型腔中準確定位，降低了操作工的勞動強度，鍛件質量得到了保證。防止錘鍛模在生產過程中產生錯移，并且考慮降低模具成本，舍棄了傳統圓形鎖扣，改進成四角鎖扣，錘鍛模塊尺寸更緊湊，縮短了錘鍛模安裝調整時間，降低了操作工的勞動強度。
圖3 鍛件正式模鍛工藝方案
模鍛工藝模擬分析
模鍛工藝方案模擬分析
采用DEFORM有限元模擬分析軟件進行模鍛成形過程模擬分析。首先對所述的模鍛工藝建立鍛件成形的有限元模型上模、下模和坯料。模鍛成形主要工藝參數設置如下：坯料材料為35Mn鋼(DEFORM模擬分析選擇用JIS-S45C代替)，規格尺寸為φ260mm×495mm，坯料加熱溫度為1150℃，模具預熱溫度為200℃，成形力選擇為靜壓力模擬分析，上模進給速度選擇為100mm/s，其他模擬分析時需要的參數設置按照常規一般要求進行設置。
圖4為DEFORM有限元模擬技術分析的成形過程，在成形過程中由于上模中間位置存在圓形凸臺，從而形成二級臺階，影響金屬流動，模鍛成形過程中在模擬分析1300步時出現了金屬流動形成折疊的趨勢，隨著坯料變形逐漸增加，在1500步時金屬流動形成折疊的趨勢達到最明顯程度。之后，隨著坯料變形的繼續增加，金屬繼續向圓周外側流動且受到模具結構限制的影響趨勢逐漸減緩，在1900步時金屬流動形成折疊的趨勢逐漸消失，繼續觀察模擬分析后續成形過程直至成形過程結束，沒有再出現其他質量隱患。從整個鍛造成形模擬過程分析，前期出現金屬流動形成折疊的趨勢，經過變形的繼續增加，最終金屬流動形成折疊的趨勢逐漸減緩直至消失，因此，鍛件可能存在折疊質量隱患。根據工藝分析判斷上模凹窩斜面上由于存在圓形凸臺可能會出現折疊現象，實際生產中，由于坯料端面斜度偏大等各種因素影響，會加大折疊出現的幾率，為了驗證模擬分析軟件的真實有效性和具體折疊位置，決定采用改進后正式模鍛工藝方案進行調試生產驗證。
圖4 鍛件模鍛工藝成形過程模擬圖
鍛打載荷曲線及金屬流動趨勢
圖5為模鍛成形過程中上模所受載荷變化曲線走勢，在鍛造過程中，隨著坯料變形量的增加，上模所受載荷不斷增加，在鍛造末期即最外側飛邊剛形成時，模具型腔即將充滿，上模所受載荷急劇增大。這時鍛模型腔逐漸形成封閉空間，由于固體不可壓縮，且多余的坯料逐漸開始往外流動形成飛邊，需要較大的鍛打壓力把多余的金屬排出模具型腔使鍛件厚度尺寸達到要求。因此，上模載荷急劇增加，直至鍛打結束，載荷達到最大值。
圖5 模鍛成形過程上模載荷曲線
圖6為模鍛成形結束時金屬流動趨勢，上模金屬流動趨勢大體呈現出由上向下及向外側，下模金屬流動趨勢大體呈現出由內向外，這是因為鍛件外側盤部比較薄，金屬流動較慢，此處最后充滿型腔，并且多余的金屬需要流出模具型腔形成飛邊，金屬流動趨勢符合鐓粗成形工藝要求，滿足鍛件使用要求。
圖6 模鍛成形過程金屬流動趨勢
工藝調試及優化提高
首次工藝調試驗證
大型支座鍛件的錘鍛模和切邊模全套工藝設計完成后，進行模具加工制造，全套工裝到位后進行了樣件首次調試生產，最終鍛件見圖7。燃氣加熱爐坯料溫度設定為1150℃，坯料經過充分加熱出爐后使用手持高壓水槍清理坯料表面氧化皮，錘鍛模下模型腔里撒上鋸末；操作機把坯料豎立放到模具下模型腔里，坯料定好位，不需要操作工進行調整；16t模鍛錘輕擊兩至三錘后，操作機夾持坯料脫離下模型腔，操作工使用壓縮空氣清理下模型腔氧化皮；然后進行重錘鍛打成形，直至坯料各個部位完全充滿模具型腔；鍛打完成后操作機把鍛件轉移到切邊模進行切邊，整個調試過程基本順利。樣件經劃線檢查符合圖紙要求，鍛打調試完成后進行調質處理并進行著色探傷檢查折紋情況，上模型腔里發現三件存在較淺折疊現象，經打磨可消除，打磨后滿足鍛件質量要求。
圖7 大型支座鍛件樣件調試實物圖
工藝優化提高
根據第一次樣件調試結果情況分析，折紋比例達到了20%，后續需要進行調質處理。折紋隱患很可能引起淬火裂紋延伸，導致鍛件報廢，為了完全消除折疊質量隱患及降低操作工打磨勞動強度，對模鍛成形工藝進行改進。改進后鍛件結構如圖8所示，上模中間圓形凸臺取消，改成整體圓錐，這樣改善了金屬流動趨勢。經過再次有限元模擬分析得知，整個模鍛成形過程中金屬流動不再出現折疊現象，折疊質量隱患得到完全消除。經過幾個批次的批量生產驗證，沒有出現折疊質量隱患，鍛件質量得到可靠保證。
圖8 鍛件優化后模鍛工藝方案
結束語
針對大型鍛件模鍛工藝開發設計，借助DEFORM有限元模擬分析軟件，通過模擬分析整個鍛件成形過程，可以提前發現鍛件質量隱患并進行模具結構優化改進，找出最佳的模鍛工藝設計方案，縮短開發周期并降低開發成本，使鍛件產品質量得到可靠保證。
——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第5期
