偏心盤是紡織機(jī)械上的重要零件。材料GCr15，設(shè)計(jì)要求其重量輕、強(qiáng)度高、耐磨。其形狀尺寸如圖1。

圖1

圖1中兩半月牙形的壓凹和三個(gè)小長(zhǎng)方形孔都是黑皮表面，不再進(jìn)行切削加工。

一、鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖2所示的鍛件圖，從模鍛工藝的角度來(lái)看具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

圖2

甲廠利用現(xiàn)有的鍛壓設(shè)備按圖2進(jìn)行試鍛，其工藝過(guò)程如下：

(1)鍛件在分模面的投影面積大(約373cm2)；
(2)鍛件薄(鍛件厚度尺寸8mm)；
(3)壓凹多，連皮厚度尺寸僅有4mm；
(4)材料硬，鍛造溫度范圍窄，變形抗力大；

以上情況表明，用模鍛工藝制造有一定難度。

二、鍛造試生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題

有甲乙兩個(gè)鍛造廠進(jìn)行鍛造試生產(chǎn)。

(1)在5000kN剪床下料?φ60mm×150mm，下料重3.33kg；
(2)燃油加熱爐加熱到1080℃；
(3)在750kg空氣錘上進(jìn)行打扁制坯；
(4)在10000kN摩擦壓力機(jī)上模鍛；
(5)在3150kN切邊壓力機(jī)上切邊；
(6)在3000kN摩擦壓力機(jī)上校正；
(7)空氣中冷卻；
(8)進(jìn)行第一熱處理、清除氧化皮。

甲廠在鍛造試生產(chǎn)過(guò)程中首先遇到的最大的難題就是上下分模面打不靠，厚度尺寸超差。為此，甲廠想了很多辦法，把摩擦壓力機(jī)的能量調(diào)整到最大極限，增加火次，還是打不靠。

由于鍛件厚度尺寸超差，經(jīng)過(guò)機(jī)械切削加工后，鍛件上所有的壓凹幾乎全部削平，不符合設(shè)計(jì)要求。

乙廠也按圖2在10000kN摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行鍛造試生產(chǎn)，當(dāng)然還是遇到同樣的難題。為了不使鍛件厚度尺寸超差太多，快速進(jìn)行多次連擊。由于反作用力越來(lái)越大，滑塊回程上升速度過(guò)快，壓力機(jī)操縱系統(tǒng)失去控制，滑塊撞擊到橫梁上，橫梁斷裂。

至此，甲乙兩個(gè)鍛造廠試鍛偏心盤宣告失敗。

三、原因分析

上下分模面打不靠，鍛件厚度尺寸超差，致使鍛件不合格。造成這個(gè)問(wèn)題的原因是多方面的，其中最主要的有以下兩個(gè)方面的原因：

1.設(shè)備噸位偏小

按文獻(xiàn)［1］提供的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行核算：

P＝(17.5～28.0)KF總

式中P——摩擦壓力機(jī)的公稱壓力，kN
K——鋼種系數(shù)，GCr15取K＝1.25
F總——鍛件的總變形面積(約373cm2)

系數(shù)28.0用于變形困難，成形打擊次數(shù)不超過(guò)2次的情況下。

P＝28.0×1.25×373＝13055kN

按文獻(xiàn)［2］提供的經(jīng)驗(yàn)公式核算：

Pｔ＝0.01YA

式中Pｔ——摩擦壓力機(jī)的公稱壓力，kN
Y——鍛造溫度下的屈服強(qiáng)度，MPa
A——鍛件水平投影面積，mm2
Pｔ＝0.01×70×37300＝26110kN

通常選用與計(jì)算數(shù)值接近而又稍微偏大一點(diǎn)的鍛壓設(shè)備。由此來(lái)看，模鍛圖2所示的偏心盤，使用10000kN摩擦壓力機(jī)，設(shè)備噸位是偏小的。

2.多余的金屬排不出去

這不單純是設(shè)備噸位偏小的問(wèn)題，而主要是跟鍛件形狀結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等其他因素有關(guān)。從鍛件的成形過(guò)程試作以下分析。

自由鍛制坯厚度一般在15～18mm。鍛件的凸臺(tái)部分高度尺寸不大，模鍛成形屬于壓入成形。圖3是上面圖2的C-C剖面。

圖3

模鍛成形過(guò)程大體上可分為三個(gè)階段：

第一階段為壓入階段，即從上模接觸鍛坯開(kāi)始，到模具的凸出部分壓入金屬的Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)為止。在這一階段，鍛件的凸臺(tái)部分Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)已經(jīng)充滿，中部多余的金屬和外圈的金屬一起流向模腔的邊緣。

第二階段為充滿階段，即從金屬流到模腔邊緣開(kāi)始，到金屬完全充滿模腔為止。在這一階段，由于坯料比鍛件的平均厚度厚，模腔比較淺，所以金屬流到模腔各部邊緣的過(guò)程也就是金屬充滿模腔的過(guò)程。在金屬完全充滿模腔的過(guò)程中，多余的金屬已經(jīng)開(kāi)始流向毛邊槽。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

第三階段為結(jié)束階段，即從多余的金屬大量流向毛邊槽開(kāi)始，到停止模鍛為止。在這一階段，主要是排出多余的金屬。

隨著毛邊槽橋部金屬的變薄，金屬流動(dòng)的阻力急劇上升。同時(shí)Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的金屬也變薄，金屬流動(dòng)的阻力也急劇增加。中心部位多余的金屬要流入毛邊槽，首先要通過(guò)Ⅲ區(qū)的阻力圈。經(jīng)過(guò)第一次打擊，多余的金屬被封閉在Ⅲ區(qū)和毛邊槽橋部之內(nèi)，幾乎是處于停止流動(dòng)狀態(tài)。在此情況下，無(wú)論再連續(xù)打擊多少次，上下分模面都不會(huì)打靠。

在上下分模面打不靠的諸多因素中，上面分析的兩大因素是主要的，其他因素可在下面的論述中部分地體現(xiàn)出來(lái)，故不贅述。

四、模鍛沖壓工藝

根據(jù)前面的分析可以斷定，在10000kN摩擦壓力機(jī)上用傳統(tǒng)的工藝模鍛偏心盤是很難取得成功的。要想利用這種鍛壓設(shè)備鍛壓出合格的偏心盤毛坯，在工藝和模具設(shè)計(jì)上就不能墨守成規(guī)，必須另辟新徑。

針對(duì)偏心盤在試鍛中存在的問(wèn)題，采取相應(yīng)的措施，逐步思考研究成模鍛沖壓工藝這一不同尋常的工藝類型。

下面分別從模鍛和沖壓兩個(gè)方面論述演變過(guò)程：

1.模鍛措施

(1)改變鍛件的形狀結(jié)構(gòu)

將鍛件中心部位?φ72處的平底連皮改變成為在模具上帶儲(chǔ)料倉(cāng)的特殊連皮(圖4)。目的是使中心部位的多余金屬就地儲(chǔ)存起來(lái)，以免長(zhǎng)距離的流動(dòng)，當(dāng)然也就不必通過(guò)Ⅲ區(qū)(圖3)的阻力圈。

圖4

將三個(gè)小長(zhǎng)方孔(圖2上尺寸3-30和3-16)的壓凹改變成不壓凹(圖4)，防止模具上的壓凹凸臺(tái)影響金屬的流動(dòng)。把產(chǎn)品零件圖對(duì)這三處的要求留到模鍛以后靠沖孔來(lái)解決。為了便于沖孔模具的設(shè)計(jì)，經(jīng)用戶設(shè)計(jì)部門同意將這三個(gè)小長(zhǎng)方孔的形狀略有改變。

(2)改變毛邊槽橋部尺寸設(shè)計(jì)

圖5

原模具圖上是按照傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的毛邊槽。為了便于切邊時(shí)定位，還故意把橋部尺寸h3減小了一點(diǎn)(圖5)。這種設(shè)計(jì)對(duì)金屬完全充滿模腔有利。隨著橋部金屬的變薄，金屬流動(dòng)阻力的急劇增大，迫使金屬完全充滿模腔。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮到模鍛偏心盤的特殊性。偏心盤的模腔很淺，凸臺(tái)部分高度尺寸不大，壓入成形比較容易，不需要借助毛邊槽橋部阻力的急劇增大就可以完全充滿模腔。主要問(wèn)題是多余的金屬排不出去，上下分模面打不靠。因此需要把橋部尺寸h3加大(圖6)。

圖6

(3)改變坯料尺寸

原工藝制坯厚度15～18mm。新設(shè)計(jì)的鍛模圖上中心部位?φ72處的儲(chǔ)料倉(cāng)容積總是有限的。實(shí)際上儲(chǔ)料倉(cāng)的容積是按制坯厚度15mm計(jì)算的，必須把制坯厚度控制在12～15mm。如果坯料厚度尺寸超過(guò)15mm，儲(chǔ)料倉(cāng)容納不下中心部位多余的金屬，上下分模面還是打不靠。

(4)嚴(yán)格控制鍛造溫度

材料GCr15在1100℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度為30MPa，當(dāng)溫度降到850℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度就提高到98MPa。GCr15的始鍛溫度1080℃，終鍛溫度800℃。不能隨便靠提高加熱溫度來(lái)降低變形抗力。要想一次加熱鍛壓成功，就得采取保溫措施，不能使溫度降低太多，類似于等溫鍛造。

通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，在10000kN摩擦壓力機(jī)上，經(jīng)過(guò)一次加熱，很順利地模鍛成圖4所示的形狀尺寸。

2.切邊、沖孔、校正

原工藝只是在3150kN切邊壓力機(jī)上切邊，而不進(jìn)行沖孔。校正是在3000kN摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行。

用新工藝新模具鍛出來(lái)的鍛件(圖4)，必須進(jìn)行沖孔。只有進(jìn)行切邊和沖孔才能符合產(chǎn)品零件圖的設(shè)計(jì)要求。

為了減少切邊和沖孔時(shí)產(chǎn)生的變形量，還需要進(jìn)行校正。由于鍛件薄，切邊、沖孔和校正不能分別進(jìn)行。分別進(jìn)行不僅占用的設(shè)備多、使用的模具多、用的人多，還因時(shí)間長(zhǎng)鍛件溫度降低變硬，模具壽命短，并且難以保證鍛件質(zhì)量。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

3150kN切邊壓力機(jī)的公稱壓力點(diǎn)位置是在下死點(diǎn)前21mm，切邊和沖孔同時(shí)進(jìn)行只需要8～9mm行程，還有剩余行程12mm。這樣就可以利用這12mm的剩余行程設(shè)計(jì)一套復(fù)合模，切邊、沖孔和校正在壓力機(jī)的一次行程中先后完成。復(fù)合模下半部分示意結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7
1.模座2.底板3.碟形彈簧4.螺栓5.導(dǎo)柱
6.凹模7.下凸模8.托板9.沖頭10.固定板
11.小沖頭12.螺栓13.限位塊14.螺栓

鍛件放在凹模6、下凸模7、沖頭9和小沖頭11上，靠鍛件的形狀結(jié)構(gòu)定位。壓力機(jī)滑塊下行，上凸模首先壓在鍛件上。通過(guò)鍛件迫使下凸模7推動(dòng)托板8壓縮碟形彈簧3。凹模6、沖頭9和3個(gè)小沖頭11都是固定不動(dòng)的。隨著鍛件的下移同時(shí)完成切邊和沖孔。

碟形彈簧3在固定凹模6時(shí)有一定量的預(yù)壓縮，鍛件在上下凸模之間處于壓緊狀態(tài)，鍛件在切邊和沖孔時(shí)不會(huì)產(chǎn)生太大的翹曲變形。

鍛件切邊沖孔后滑塊繼續(xù)下行，碟形彈簧的壓力增大，鍛件在上下凸模之間得到進(jìn)一步校正。在壓力機(jī)回程時(shí)，隨著滑塊的上升，借助彈簧的彈力將鍛件從凹模中推出來(lái)。至此，偏心盤的模鍛沖壓工藝過(guò)程結(jié)束。鍛件如圖8。

圖8

五、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

偏心盤鍛件已在江蘇無(wú)錫天洋鍛造有限公司進(jìn)行批量生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)一年多的生產(chǎn)實(shí)踐證明，模鍛沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)是合理的，行之有效的。班產(chǎn)量700件，合格率99.5%，模具壽命提高3倍，節(jié)省1臺(tái)設(shè)備和1套模具，每班節(jié)省勞動(dòng)力3人，每件節(jié)約原材料0.53kg，節(jié)省機(jī)械切削加工工時(shí)60%，還節(jié)省了大量的能源。本公司和用戶雙方都獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

六、結(jié)論

(1)根據(jù)偏心盤的材質(zhì)和鍛件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在10000kN摩擦壓力機(jī)上采用傳統(tǒng)的模鍛工藝是生產(chǎn)不出合格的鍛造毛坯的。

(2)模鍛沖壓工藝的研究和應(yīng)用，解決了用10000kN摩擦壓力機(jī)鍛造偏心盤的難題。

(3)模鍛沖壓工藝既不是單純的模鍛也不是單純的沖壓，而是模鍛和沖壓相結(jié)合的完整統(tǒng)一的工藝過(guò)程。當(dāng)模鍛設(shè)備的壓力不足而切邊設(shè)備的壓力有余時(shí)，就應(yīng)通過(guò)改變模鍛件的結(jié)構(gòu)要素和鍛模的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，減小模鍛件的變形抗力。反之，則采用小毛邊、局部毛邊或無(wú)毛邊模鍛，只用切邊設(shè)備進(jìn)行沖孔。

(4)模鍛沖壓工藝適用于薄型鍛件。較厚的鍛件能否采用還未進(jìn)行嘗試。

(5)設(shè)計(jì)切邊、沖孔、校正復(fù)合模是模鍛沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)的重要組成部分。有了這種復(fù)合模，才能在一次加熱中完成全過(guò)程。只有這樣才能保證鍛件質(zhì)量。否則就不能取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。