偏心盘模锻冲压工艺研究

HEATS

偏心盘是纺织机械上的重要零件。材料GCr15，设计要求其重量轻、强度高、耐磨。其形状尺寸如图1。

图1

图1中两半月牙形的压凹和三个小长方形孔都是黑皮表面，不再进行切削加工。

一、锻件的结构特点

图2所示的锻件图，从模锻工艺的角度来看具有以下几个特点：

图2

甲厂利用现有的锻压设备按图2进行试锻，其工艺过程如下：

(1)锻件在分模面的投影面积大(约373cm2)；
(2)锻件薄(锻件厚度尺寸8mm)；
(3)压凹多，连皮厚度尺寸仅有4mm；
(4)材料硬，锻造温度范围窄，变形抗力大；

以上情况表明，用模锻工艺制造有一定难度。

二、锻造试生产中出现的问题

有甲乙两个锻造厂进行锻造试生产。

(1)在5000kN剪床下料?φ60mm×150mm，下料重3.33kg；
(2)燃油加热炉加热到1080℃；
(3)在750kg空气锤上进行打扁制坯；
(4)在10000kN摩擦压力机上模锻；
(5)在3150kN切边压力机上切边；
(6)在3000kN摩擦压力机上校正；
(7)空气中冷却；
(8)进行第一热处理、清除氧化皮。

甲厂在锻造试生产过程中首先遇到的最大的难题就是上下分模面打不靠，厚度尺寸超差。为此，甲厂想了很多办法，把摩擦压力机的能量调整到最大极限，增加火次，还是打不靠。

由于锻件厚度尺寸超差，经过机械切削加工后，锻件上所有的压凹几乎全部削平，不符合设计要求。

乙厂也按图2在10000kN摩擦压力机上进行锻造试生产，当然还是遇到同样的难题。为了不使锻件厚度尺寸超差太多，快速进行多次连击。由于反作用力越来越大，滑块回程上升速度过快，压力机操纵系统失去控制，滑块撞击到横梁上，横梁断裂。

至此，甲乙两个锻造厂试锻偏心盘宣告失败。

三、原因分析

上下分模面打不靠，锻件厚度尺寸超差，致使锻件不合格。造成这个问题的原因是多方面的，其中最主要的有以下两个方面的原因：

1.设备吨位偏小

按文献［1］提供的经验公式进行核算：

P＝(17.5～28.0)KF总

式中P——摩擦压力机的公称压力，kN
K——钢种系数，GCr15取K＝1.25
F总——锻件的总变形面积(约373cm2)

系数28.0用于变形困难，成形打击次数不超过2次的情况下。

P＝28.0×1.25×373＝13055kN

按文献［2］提供的经验公式核算：

Pｔ＝0.01YA

式中Pｔ——摩擦压力机的公称压力，kN
Y——锻造温度下的屈服强度，MPa
A——锻件水平投影面积，mm2
Pｔ＝0.01×70×37300＝26110kN

通常选用与计算数值接近而又稍微偏大一点的锻压设备。由此来看，模锻图2所示的偏心盘，使用10000kN摩擦压力机，设备吨位是偏小的。

2.多余的金属排不出去

这不单纯是设备吨位偏小的问题，而主要是跟锻件形状结构和模具设计结构等其他因素有关。从锻件的成形过程试作以下分析。

自由锻制坯厚度一般在15～18mm。锻件的凸台部分高度尺寸不大，模锻成形属于压入成形。图3是上面图2的C-C剖面。

图3

模锻成形过程大体上可分为三个阶段：

第一阶段为压入阶段，即从上模接触锻坯开始，到模具的凸出部分压入金属的Ⅰ区和Ⅲ区为止。在这一阶段，锻件的凸台部分Ⅱ区和Ⅳ区已经充满，中部多余的金属和外圈的金属一起流向模腔的边缘。

第二阶段为充满阶段，即从金属流到模腔边缘开始，到金属完全充满模腔为止。在这一阶段，由于坯料比锻件的平均厚度厚，模腔比较浅，所以金属流到模腔各部边缘的过程也就是金属充满模腔的过程。在金属完全充满模腔的过程中，多余的金属已经开始流向毛边槽。

第三阶段为结束阶段，即从多余的金属大量流向毛边槽开始，到停止模锻为止。在这一阶段，主要是排出多余的金属。

随着毛边槽桥部金属的变薄，金属流动的阻力急剧上升。同时Ⅰ区和Ⅲ区的金属也变薄，金属流动的阻力也急剧增加。中心部位多余的金属要流入毛边槽，首先要通过Ⅲ区的阻力圈。经过第一次打击，多余的金属被封闭在Ⅲ区和毛边槽桥部之内，几乎是处于停止流动状态。在此情况下，无论再连续打击多少次，上下分模面都不会打靠。

在上下分模面打不靠的诸多因素中，上面分析的两大因素是主要的，其他因素可在下面的论述中部分地体现出来，故不赘述。

四、模锻冲压工艺

根据前面的分析可以断定，在10000kN摩擦压力机上用传统的工艺模锻偏心盘是很难取得成功的。要想利用这种锻压设备锻压出合格的偏心盘毛坯，在工艺和模具设计上就不能墨守成规，必须另辟新径。

针对偏心盘在试锻中存在的问题，采取相应的措施，逐步思考研究成模锻冲压工艺这一不同寻常的工艺类型。

下面分别从模锻和冲压两个方面论述演变过程：

1.模锻措施

(1)改变锻件的形状结构

将锻件中心部位?φ72处的平底连皮改变成为在模具上带储料仓的特殊连皮(图4)。目的是使中心部位的多余金属就地储存起来，以免长距离的流动，当然也就不必通过Ⅲ区(图3)的阻力圈。

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图4

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将三个小长方孔(图2上尺寸3-30和3-16)的压凹改变成不压凹(图4)，防止模具上的压凹凸台影响金属的流动。把产品零件图对这三处的要求留到模锻以后靠冲孔来解决。为了便于冲孔模具的设计，经用户设计部门同意将这三个小长方孔的形状略有改变。

(2)改变毛边槽桥部尺寸设计

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图5

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原模具图上是按照传统工艺设计的毛边槽。为了便于切边时定位，还故意把桥部尺寸h3减小了一点(图5)。这种设计对金属完全充满模腔有利。随着桥部金属的变薄，金属流动阻力的急剧增大，迫使金属完全充满模腔。这种设计的缺点是没有考虑到模锻偏心盘的特殊性。偏心盘的模腔很浅，凸台部分高度尺寸不大，压入成形比较容易，不需要借助毛边槽桥部阻力的急剧增大就可以完全充满模腔。主要问题是多余的金属排不出去，上下分模面打不靠。因此需要把桥部尺寸h3加大(图6)。

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图6

(3)改变坯料尺寸

原工艺制坯厚度15～18mm。新设计的锻模图上中心部位?φ72处的储料仓容积总是有限的。实际上储料仓的容积是按制坯厚度15mm计算的，必须把制坯厚度控制在12～15mm。如果坯料厚度尺寸超过15mm，储料仓容纳不下中心部位多余的金属，上下分模面还是打不靠。

(4)严格控制锻造温度

材料GCr15在1100℃时的抗拉强度为30MPa，当温度降到850℃时，其抗拉强度就提高到98MPa。GCr15的始锻温度1080℃，终锻温度800℃。不能随便靠提高加热温度来降低变形抗力。要想一次加热锻压成功，就得采取保温措施，不能使温度降低太多，类似于等温锻造。

通过改进设计，在10000kN摩擦压力机上，经过一次加热，很顺利地模锻成图4所示的形状尺寸。

2.切边、冲孔、校正

原工艺只是在3150kN切边压力机上切边，而不进行冲孔。校正是在3000kN摩擦压力机上进行。

用新工艺新模具锻出来的锻件(图4)，必须进行冲孔。只有进行切边和冲孔才能符合产品零件图的设计要求。

为了减少切边和冲孔时产生的变形量，还需要进行校正。由于锻件薄，切边、冲孔和校正不能分别进行。分别进行不仅占用的设备多、使用的模具多、用的人多，还因时间长锻件温度降低变硬，模具寿命短，并且难以保证锻件质量。

3150kN切边压力机的公称压力点位置是在下死点前21mm，切边和冲孔同时进行只需要8～9mm行程，还有剩余行程12mm。这样就可以利用这12mm的剩余行程设计一套复合模，切边、冲孔和校正在压力机的一次行程中先后完成。复合模下半部分示意结构如图7。

图7
1.模座2.底板3.碟形弹簧4.螺栓5.导柱
6.凹模7.下凸模8.托板9.冲头10.固定板
11.小冲头12.螺栓13.限位块14.螺栓

锻件放在凹模6、下凸模7、冲头9和小冲头11上，靠锻件的形状结构定位。压力机滑块下行，上凸模首先压在锻件上。通过锻件迫使下凸模7推动托板8压缩碟形弹簧3。凹模6、冲头9和3个小冲头11都是固定不动的。随着锻件的下移同时完成切边和冲孔。

碟形弹簧3在固定凹模6时有一定量的预压缩，锻件在上下凸模之间处于压紧状态，锻件在切边和冲孔时不会产生太大的翘曲变形。

锻件切边冲孔后滑块继续下行，碟形弹簧的压力增大，锻件在上下凸模之间得到进一步校正。在压力机回程时，随着滑块的上升，借助弹簧的弹力将锻件从凹模中推出来。至此，偏心盘的模锻冲压工艺过程结束。锻件如图8。

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图8

五、技术经济效果

偏心盘锻件已在江苏无锡天洋锻造有限公司进行批量生产。经过一年多的生产实践证明，模锻冲压工艺和模具设计是合理的，行之有效的。班产量700件，合格率99.5%，模具寿命提高3倍，节省1台设备和1套模具，每班节省劳动力3人，每件节约原材料0.53kg，节省机械切削加工工时60%，还节省了大量的能源。本公司和用户双方都获得了良好的经济效益。

六、结论

(1)根据偏心盘的材质和锻件结构特点，在10000kN摩擦压力机上采用传统的模锻工艺是生产不出合格的锻造毛坯的。

(2)模锻冲压工艺的研究和应用，解决了用10000kN摩擦压力机锻造偏心盘的难题。

(3)模锻冲压工艺既不是单纯的模锻也不是单纯的冲压，而是模锻和冲压相结合的完整统一的工艺过程。当模锻设备的压力不足而切边设备的压力有余时，就应通过改变模锻件的结构要素和锻模的设计结构，减小模锻件的变形抗力。反之，则采用小毛边、局部毛边或无毛边模锻，只用切边设备进行冲孔。

(4)模锻冲压工艺适用于薄型锻件。较厚的锻件能否采用还未进行尝试。

(5)设计切边、冲孔、校正复合模是模锻冲压工艺和模具设计的重要组成部分。有了这种复合模，才能在一次加热中完成全过程。只有这样才能保证锻件质量。否则就不能取得良好的技术经济效果。