端蓋的精密鍛造工藝研究
端蓋是液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一，是典型的精鍛件，尺寸精度和形位公差要求都很高，其中厚度公差為±0.3mm，外形尺寸公差為±0.5mm，相關(guān)平面的平行度和平面度要求也十分苛刻。
1 工藝難度及重點(diǎn)
根據(jù)端蓋的成形特點(diǎn)，借鑒國內(nèi)外相關(guān)精鍛件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，該產(chǎn)品的技術(shù)難度非常高，主要工藝難點(diǎn)有：（1）鍛件尺寸精度要求嚴(yán)格。（2）鍛件形狀復(fù)雜，高度落差大，鍛造最小圓角僅R1.6mm，模具局部磨損速度快，必須設(shè)計(jì)合理的預(yù)鍛工步才能確保終鍛成形質(zhì)量。（3）鍛件局部細(xì)節(jié)尺寸要求嚴(yán)格，需設(shè)計(jì)合理的切邊精整模具對鍛件細(xì)節(jié)處進(jìn)行精整，提高鍛件成形質(zhì)量。（4）鍛件形位公差要求苛刻，需增加合理的冷精整工序，確保鍛件形位公差、尺寸公差和機(jī)加輔助定位等精整成形質(zhì)量復(fù)合圖紙要求。
2 工藝制定
經(jīng)反復(fù)分析論證，最終確定該產(chǎn)品的鍛造工藝路線為：中頻爐加熱-1t模鍛錘制坯、成形預(yù)鍛-6.3MN摩擦壓力機(jī)終鍛-1.6MN螺旋壓力機(jī)整形切邊-正火-噴砂除氧化皮 -6.3MN摩擦壓力機(jī)冷精整。為了保證鍛件尺寸精度、表面質(zhì)量，提高鍛件尺寸穩(wěn)定性和模具壽命，確定了各工步的具體方案。
2.1 中頻爐加熱
根據(jù)45鋼在Gleeble1500D高溫?zé)崃δM試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行溫度-氧化速率的測試結(jié)果可知：加熱溫度越高，鍛件表面氧化導(dǎo)致的表面質(zhì)量下降越嚴(yán)重。從氧化皮生成速度看，45鋼加熱溫度不應(yīng)該超過1200℃。考慮到中頻爐加熱溫度存在20~30℃波動(dòng)，因此實(shí)際生產(chǎn)過程中，將45鋼毛坯的加熱溫度由通常的1220℃降低到1130~1150℃，這樣既保證了鍛件表面質(zhì)量，也提高了鍛件的性能。
2.2 1t模鍛錘制坯、預(yù)鍛
由于鍛件形狀相對復(fù)雜，局部形狀精細(xì)，單工步成形難度大，設(shè)備狀態(tài)波動(dòng)容易導(dǎo)致鍛造缺陷；模具局部受熱時(shí)間過長，模具容易過早回火軟化。因此，在1t模鍛錘上基本實(shí)現(xiàn)鍛件成形，既可減少模具損耗速度，又可以降低終鍛模磨損速度，提高終鍛件尺寸精度。
預(yù)鍛采用較大的飛邊高度設(shè)計(jì)，這樣既可以降低多余材料流出的阻力，又提高了高度尺寸的穩(wěn)定性，比較容易在1t模鍛錘上成形。
2.3 6.3MN摩擦壓力機(jī)終鍛
終鍛件幾何尺寸和形位公差要求非常嚴(yán)格，因此終鍛模需要非常高的加工精度和導(dǎo)向精度，上、下鑲塊之間的配合精度和導(dǎo)向精度，在充分借鑒精鍛模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)、設(shè)備的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了具有較好工藝性和通用性的6.3MN摩擦壓力機(jī)模架；（1）采用對角雙導(dǎo)柱保證模具運(yùn)動(dòng)時(shí)良好的導(dǎo)向精度；（2）采用安裝定位面與夾緊楔塊的方式，實(shí)現(xiàn)模具的有效緊固，避免周期性載荷沖擊造成的模具松動(dòng)影響鍛件精度。
2.4 1.6MN螺旋壓力機(jī)切邊及整形
此鍛件的上、下表面的平面度和局部細(xì)節(jié)尺寸要求很高。因此，為了防止切邊的時(shí)候產(chǎn)生變形，工藝組采用了刨切的工藝。模架具體運(yùn)動(dòng)過程：壓力機(jī)滑塊下行，活動(dòng)上模接觸鍛件后便不再運(yùn)動(dòng)，切刀繼續(xù)下行完成切邊工作，滑塊上行，退料板退出飛邊，活動(dòng)上模歸位，切邊結(jié)束。在此過程中，鍛件由于上部彈簧的壓力而被抱緊，因此這個(gè)過程帶來的形變微乎其微，保證了鍛件的精度要求。
3 鍛造工藝有限元分析
鍛造工藝數(shù)值模擬技術(shù)是一種較為先進(jìn)的成形工藝分析與優(yōu)化技術(shù)，能使工藝設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)可靠性和準(zhǔn)確性。項(xiàng)目組用Pro/EWildfire2.0進(jìn)行了端蓋鍛件及模具的3D建模，然后利用DEFORM-3D v6.1進(jìn)行工藝的數(shù)值模擬，確保投入試制之前工藝方案的可靠性，使成形工藝參數(shù)趨于最優(yōu)化。
4 工藝的優(yōu)化
（1）實(shí)際鍛造遇到的問題。由于終鍛上模沖頭斜度過小，鍛件本身要求的圓角很小，模具根部很容易出現(xiàn)裂紋，因此本身要求的圓角很小，模具根部很容易出現(xiàn)裂紋，因此模具壽命相對較低，從而降低了生產(chǎn)效率，增加了修模成本。
（2）改進(jìn)措施。除對模具進(jìn)行有效強(qiáng)化外，從工藝設(shè)計(jì)方面也做了相應(yīng)改進(jìn)，將終鍛模上鑲塊的沖頭改為小法蘭結(jié)構(gòu)，當(dāng)抽頭磨損嚴(yán)重時(shí)可直接替換，不需要重做整個(gè)模具鑲塊，這樣就大大減少了模具費(fèi)用方面的損失。為保證鑲塊的穩(wěn)定性，沖頭和鑲塊采用過盈配合，并且沖頭和內(nèi)孔采用數(shù)控模具加工，在最大程度上增加模具精度，避免配合偏差。
為了更好的脫模，在整修壓力機(jī)的基礎(chǔ)上，采用了Fuchs645F代替普通石墨作為鍛造潤滑劑，配比比例為1:6，這種潤滑劑有很好的脫模和冷卻效果，并且采購了專用的潤滑冷卻設(shè)備，該設(shè)備可以保證潤滑液噴涂的均勻性和有效性。這樣就有效地避免了粘模情況的發(fā)生，降低了模具的損耗，有效提高了模具壽命。
1 工藝難度及重點(diǎn)
根據(jù)端蓋的成形特點(diǎn)，借鑒國內(nèi)外相關(guān)精鍛件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，該產(chǎn)品的技術(shù)難度非常高，主要工藝難點(diǎn)有：（1）鍛件尺寸精度要求嚴(yán)格。（2）鍛件形狀復(fù)雜，高度落差大，鍛造最小圓角僅R1.6mm，模具局部磨損速度快，必須設(shè)計(jì)合理的預(yù)鍛工步才能確保終鍛成形質(zhì)量。（3）鍛件局部細(xì)節(jié)尺寸要求嚴(yán)格，需設(shè)計(jì)合理的切邊精整模具對鍛件細(xì)節(jié)處進(jìn)行精整，提高鍛件成形質(zhì)量。（4）鍛件形位公差要求苛刻，需增加合理的冷精整工序，確保鍛件形位公差、尺寸公差和機(jī)加輔助定位等精整成形質(zhì)量復(fù)合圖紙要求。
2 工藝制定
經(jīng)反復(fù)分析論證，最終確定該產(chǎn)品的鍛造工藝路線為：中頻爐加熱-1t模鍛錘制坯、成形預(yù)鍛-6.3MN摩擦壓力機(jī)終鍛-1.6MN螺旋壓力機(jī)整形切邊-正火-噴砂除氧化皮 -6.3MN摩擦壓力機(jī)冷精整。為了保證鍛件尺寸精度、表面質(zhì)量，提高鍛件尺寸穩(wěn)定性和模具壽命，確定了各工步的具體方案。
2.1 中頻爐加熱
根據(jù)45鋼在Gleeble1500D高溫?zé)崃δM試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行溫度-氧化速率的測試結(jié)果可知：加熱溫度越高，鍛件表面氧化導(dǎo)致的表面質(zhì)量下降越嚴(yán)重。從氧化皮生成速度看，45鋼加熱溫度不應(yīng)該超過1200℃。考慮到中頻爐加熱溫度存在20~30℃波動(dòng)，因此實(shí)際生產(chǎn)過程中，將45鋼毛坯的加熱溫度由通常的1220℃降低到1130~1150℃，這樣既保證了鍛件表面質(zhì)量，也提高了鍛件的性能。
2.2 1t模鍛錘制坯、預(yù)鍛
由于鍛件形狀相對復(fù)雜，局部形狀精細(xì)，單工步成形難度大，設(shè)備狀態(tài)波動(dòng)容易導(dǎo)致鍛造缺陷；模具局部受熱時(shí)間過長，模具容易過早回火軟化。因此，在1t模鍛錘上基本實(shí)現(xiàn)鍛件成形，既可減少模具損耗速度，又可以降低終鍛模磨損速度，提高終鍛件尺寸精度。
預(yù)鍛采用較大的飛邊高度設(shè)計(jì)，這樣既可以降低多余材料流出的阻力，又提高了高度尺寸的穩(wěn)定性，比較容易在1t模鍛錘上成形。
2.3 6.3MN摩擦壓力機(jī)終鍛
終鍛件幾何尺寸和形位公差要求非常嚴(yán)格，因此終鍛模需要非常高的加工精度和導(dǎo)向精度，上、下鑲塊之間的配合精度和導(dǎo)向精度，在充分借鑒精鍛模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)、設(shè)備的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了具有較好工藝性和通用性的6.3MN摩擦壓力機(jī)模架；（1）采用對角雙導(dǎo)柱保證模具運(yùn)動(dòng)時(shí)良好的導(dǎo)向精度；（2）采用安裝定位面與夾緊楔塊的方式，實(shí)現(xiàn)模具的有效緊固，避免周期性載荷沖擊造成的模具松動(dòng)影響鍛件精度。
2.4 1.6MN螺旋壓力機(jī)切邊及整形
此鍛件的上、下表面的平面度和局部細(xì)節(jié)尺寸要求很高。因此，為了防止切邊的時(shí)候產(chǎn)生變形，工藝組采用了刨切的工藝。模架具體運(yùn)動(dòng)過程：壓力機(jī)滑塊下行，活動(dòng)上模接觸鍛件后便不再運(yùn)動(dòng)，切刀繼續(xù)下行完成切邊工作，滑塊上行，退料板退出飛邊，活動(dòng)上模歸位，切邊結(jié)束。在此過程中，鍛件由于上部彈簧的壓力而被抱緊，因此這個(gè)過程帶來的形變微乎其微，保證了鍛件的精度要求。
3 鍛造工藝有限元分析
鍛造工藝數(shù)值模擬技術(shù)是一種較為先進(jìn)的成形工藝分析與優(yōu)化技術(shù)，能使工藝設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)可靠性和準(zhǔn)確性。項(xiàng)目組用Pro/EWildfire2.0進(jìn)行了端蓋鍛件及模具的3D建模，然后利用DEFORM-3D v6.1進(jìn)行工藝的數(shù)值模擬，確保投入試制之前工藝方案的可靠性，使成形工藝參數(shù)趨于最優(yōu)化。
4 工藝的優(yōu)化
（1）實(shí)際鍛造遇到的問題。由于終鍛上模沖頭斜度過小，鍛件本身要求的圓角很小，模具根部很容易出現(xiàn)裂紋，因此本身要求的圓角很小，模具根部很容易出現(xiàn)裂紋，因此模具壽命相對較低，從而降低了生產(chǎn)效率，增加了修模成本。
（2）改進(jìn)措施。除對模具進(jìn)行有效強(qiáng)化外，從工藝設(shè)計(jì)方面也做了相應(yīng)改進(jìn)，將終鍛模上鑲塊的沖頭改為小法蘭結(jié)構(gòu)，當(dāng)抽頭磨損嚴(yán)重時(shí)可直接替換，不需要重做整個(gè)模具鑲塊，這樣就大大減少了模具費(fèi)用方面的損失。為保證鑲塊的穩(wěn)定性，沖頭和鑲塊采用過盈配合，并且沖頭和內(nèi)孔采用數(shù)控模具加工，在最大程度上增加模具精度，避免配合偏差。
為了更好的脫模，在整修壓力機(jī)的基礎(chǔ)上，采用了Fuchs645F代替普通石墨作為鍛造潤滑劑，配比比例為1:6，這種潤滑劑有很好的脫模和冷卻效果，并且采購了專用的潤滑冷卻設(shè)備，該設(shè)備可以保證潤滑液噴涂的均勻性和有效性。這樣就有效地避免了粘模情況的發(fā)生，降低了模具的損耗，有效提高了模具壽命。
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