模鍛HXN5連桿模鍛工藝研究

HXN5型機車是某機車公司與美國GE公司合作研發(fā)的大功率內(nèi)燃機車，作為柴油機關鍵零件之一的連桿，均為進口，價格昂貴。該公司于2012年引進德國米勒—萬家頓公司生產(chǎn)的PZS系列22000噸電動螺旋壓力機，并對HXN5型機車柴油機連桿實行國產(chǎn)化。零件實體圖，如圖1所示。

該連桿采用42Cr Mo A合金鋼制造，鍛件為帶工字型截面的長軸類零件，外形和桿身在模鍛后不加工，這樣可以獲得緊密的連桿表面組織，提高連桿的表面強度，而且可以省去連桿的粗加工工序，簡化連桿的工藝流程，降低生產(chǎn)成本，這對連桿的模鍛工藝提出了很高的要求。

1 HXN5連桿鍛件工藝分析

如圖1所示，連桿模鍛件屬于長桿類異型鍛件，桿身相對簡單，鍛件小端存在高度落差，大端與桿身軸線夾角較大，大小端重量有較大相差，為了使材料使用更經(jīng)濟合理，應該在鍛造前進行制坯，使連桿件在鍛造時更易成型。

2 HNX5連桿模鍛工藝設計

根據(jù)模鍛件的特點，整個模鍛工藝要解決的關鍵問題是：①進行合理分料，形成適宜于模鍛的毛坯；②在22000噸電動螺旋壓力機上模鍛時，合理設置打擊點及打擊能量。

模具是影響模鍛件尺寸精度最直接的因素，根據(jù)鍛件結構設計確定連桿的鍛模，如圖2所示，采用橫縱向方形封閉式鎖扣，減少錯移。模具選材5Cr Ni Mo，熱處理硬度HRC44~48，模膛粗糙度為1.6，其余3.2。

模鍛用的鍛模，由上下兩個模塊組成，模膛是鍛模的工作部分，上下模各一半。用燕尾和楔固定在錘砧和工作臺上；并以鎖扣或導柱導向，防止上下模塊錯位。金屬坯料按模膛的形狀變形。

模鍛的工序為制坯、預鍛和終鍛。終鍛模的模膛是按鍛件的尺寸、形狀，并加上余量和偏差確定的。模鍛一般分開口模鍛和閉口模鍛兩種：開口模鍛的模膛周圍有毛邊槽，成形后多余的金屬流入槽內(nèi)，最后將毛邊切除；閉口模鍛只在端部有很小的毛邊，如果坯料精確，也可以不出毛邊。

根據(jù)設備不同，模鍛分為錘上模鍛，曲柄壓力機模鍛，平鍛機模鍛，摩擦壓力機 模鍛等。錘上模鍛所用的設備為模鍛錘，通常為空氣模鍛錘，對形狀復雜的鍛件，先在制坯模腔內(nèi)初步成形，然后在鍛模腔內(nèi)鍛造。按鍛模結構分類：鍛模上有容納多余金屬的毛邊槽的，稱為開式模鍛；反之，鍛模上沒有容納多余金屬的毛邊飛槽的，稱為閉式模鍛。由原始坯料直接成型的，稱為單模膛模鍛。對形狀復雜的鍛件，在同一鍛模上需要經(jīng)過若干工步的預成型的，稱為多模膛模鍛。

精密模鍛是在模鍛基礎上發(fā)展而來，能夠鍛造一些復雜形狀，尺寸精度高的零件，如：錐齒輪，葉片，航空零件等。

在模鍛錘或壓力機上用鍛模將金屬坯料鍛壓加工成形的工藝。模鍛工藝生產(chǎn)效率高，勞動強度低，尺寸精確，加工余量小，并可鍛制形狀復雜的鍛件；適用于批量生產(chǎn)。但模具成本高，需有專用的模鍛設備，不適合于單件或小批量生產(chǎn)。

1 由于有模膛引導金屬的流動，鍛件的形狀可以比較復雜。

2 鍛件內(nèi)部的鍛造流線按鍛件輪廓分布，從而提高了零件的力學性能和使用壽命。

3 操作簡單，易于實現(xiàn)機械化，生產(chǎn)率高。

法蘭件作為管道接頭，因其具有拆裝靈活等優(yōu)點，所以廣泛被應用于建筑、化工、給排水、石油、消防、水暖、造船等領域。采用閉式模鍛工藝來精密成形中小尺寸法蘭件，可以節(jié)省材料，且鍛件性能良好，在批量生產(chǎn)中，顯示出“更精、更凈、更省”的優(yōu)勢。

一種1Cr18Ni9不銹鋼材質(zhì)的用于輸送低壓氣體的化工管道用法蘭零件，經(jīng)對產(chǎn)品結構、質(zhì)量要求、生產(chǎn)批量和成形特點等因素進行綜合分析后，提出采用閉式模鍛工藝來成形此法蘭鍛件，以獲得較好的經(jīng)濟效益和社會效益，增強企業(yè)的市場競爭力。

1工藝性分析

法蘭零件圖如圖3所示，凸緣部位直徑最大為Φ140mm，全高55mm，中心孔徑Φ50mm，經(jīng)計算零件的體積為287950mm³，質(zhì)量為2.25kg。如采 用Φ145mm×60mm的棒料直接切削加工，材料利用率僅為29.1%，加工量較大。由于生產(chǎn)批量較大，為了降低生產(chǎn)成本，對該零件采用模鍛制坯 切削加工來生產(chǎn)是較好的制造工藝。再考慮到零件尺寸較小，可采用閉式模鍛工藝，在常用的鍛壓設備摩擦螺旋壓力機上精密成形法蘭鍛件，可進一步降低生產(chǎn)成本。

本法蘭件的生產(chǎn)工序流程為：下料→毛坯清理→加熱→閉式模鍛→沖連皮→預先熱處理→機械加工→最終熱處理。

2制定閉式模鍛工藝

制定鍛件圖

凸緣上均布的8個Φ14孔和下端部環(huán)形密封凹槽6mm×4mm，由于尺寸較小，無法鍛出，用余塊填補，后期切削加工得到；為了體現(xiàn)閉式模鍛技術優(yōu)勢，減少加工余量，下端部高5mm的凸臺模鍛成形。分模面取在凸緣上表面，考慮機械加工余量、鍛造公差、沖孔連皮后，繪制如圖4所示冷鍛件圖，經(jīng)計算其體積為371951mm³。

在冷鍛件圖的尺寸基 礎 上，加上收 縮率，形成熱鍛件圖，以供設備噸位計算、鍛模設計和制造使用。

3 模具工作原理

法蘭鍛件的閉式模具結構如圖5所示，模架采用1600t摩擦螺旋壓力機的標準模架，下模2與后擋板7、斜面壓板5，依靠斜度為15°的斜面裝配，并由斜面壓板的彎頭斜楔與下模座6的斜面槽配合（斜度為10°），通過擰緊螺釘4，下模即被固定在下模座上。

側墻板9和螺釘10用于下模的側向緊固和調(diào)整。上模1與上模座固定方法同上。上、下模座分別用螺栓緊固在壓力機的滑塊和工作臺面上。導柱和導套是導向和定位裝置，引導上模與下模的中心對正。在進行閉式模鍛時，將坯料放在下模膛內(nèi)，上模隨著壓力機滑塊下移對坯料施加壓力，坯料以鐓粗壓入的方式充滿模具型腔，上模與下模打靠時，坯料剛好充滿模具型腔。模鍛件利用頂桿8被頂出，鍛造過程結束。

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模鍛生產(chǎn)的工藝規(guī)程包括制定模鍛件圖、計算坯料尺寸、確定模鍛工步（模膛）、選擇設備及安排修整工序等。

錘上模鍛制定模鍛件圖

模鍛件圖是設計和制造鍛模、計算坯料以及檢查鍛件的依據(jù)。制定模鍛件圖應考慮分模面、余量、公差、敷料、模鍛斜度和模鍛圓角半徑。

錘上模鍛確定模鍛工步

模鍛工步主要是根據(jù)鍛件的形狀和尺寸來確定的。模鍛件按形狀可分為兩大類：一類是長軸類鍛件，如臺階軸、曲軸、連桿、彎曲搖臂等，如圖3-38所示；另一類為盤類鍛件，如齒輪、法蘭盤等，如圖3-39所示。

錘上模鍛修整工序

坯料在鍛模內(nèi)制成模鍛件后須經(jīng)過一系列修整工序，以保證和提高鍛件質(zhì)量。修整工序包括切邊、沖孔、校正、熱處理和清理。

模鍛工步的名稱與模膛的名稱相同，如拔長工步、滾壓工步、預鍛工步、終鍛工步等。

模鍛工步主要是根據(jù)模鍛件的形狀和尺寸來確定的。模鍛件按形狀可分為兩大類：一類是盤類模鍛件，如齒輪、十字軸、法蘭盤等；另一類是長軸類模鍛件，如臺階軸、曲軸、連桿、變速叉、彎曲搖臂等。 2100433B

設計模鍛零件時，應根據(jù)模鍛特點和工藝要求，使零件結構符合下列原則，以便于模鍛生產(chǎn)和降低成本。

1、模鍛零件必須具有一個合理的分模面，以保證敷料最少，容易制造，模鍛件易于從鍛模中取出。

2、由于模鍛件尺寸精度高和表面粗糙度值低，因此零件上只有與其他機件配合的表面才需進行切削加工，其他表面均應設計為非加工表面。零件上與錘擊方向平行的非加工表面，應設計出模鍛斜度。非加工表面所形成的角都應按模鍛圓角設計。

3、為了使金屬容易充滿模膛和減少工序，零件外形力求簡單、平直和對稱。盡量避免零件截面尺寸相差過大，或具有薄壁、高筋、凸起等結構。

4、在零件結構允許的條件下，設計時盡量避免有深孔或多孔結構。

5、在條件允許的情況下，應采用鍛-焊組合工藝，以減少敷料，簡化模鍛工藝。 2100433B