50kN模锻锤锻造大缸底工艺研究

刘保民，冯俊华

（郑州市技师学院，河南郑州450006）

缸底是煤矿机械液压支架上的一个重要零件。由于其生产批量较小、品种较多等原因，通常采用镶块模在50kN 模锻锤上进行开式模锻。根据原一机部编制的《锻压车间设备选用图册》介绍，50kN 模锻锤可锻模锻件重量为40kg，可锻最大回转体直径∅400（含毛边）。而以往锻造的直径为∅320 的缸底最大重量已达70kg，远超50kN 模锻锤的负荷能力。故多年来，∅＞320 的缸底一般都采用铸造工艺制造。

由于铸件内部金属组织粗大，力学性能低，同时又不可避免地存在偏析、砂眼、缩孔等缺陷，铸造生产的缸底其组织和性能都要低于锻件，在高压工作时容易出现渗漏；机加工废品率高。在研制一新型支架过程中，需要∅400 大缸底，如图1 所示。为了提高支架整体质量，技术部门希望能采用模锻工艺生产缸底毛坯，既可提高缸底毛坯强度，杜绝缸底渗漏，又能减少废品率，提高综合经济效益。但企业最大的模锻设备为50kN 模锻锤，通常情况下无法完成∅400 大缸底的锻造。经过反复计算设计，最终在此设备上成功锻制出该大缸底。

1 开式模锻工艺分析

锤上模锻是上、下模块分别紧固在锤头与砧座上，将加热的金属坯料放入下模膛中，利用上模向下的冲击作用，使金属在锻模模膛内塑性流动，从而获得与模膛形状一致的锻件的一种模锻工艺方法，分为开式模锻和闭式模锻两大类。由于闭式模锻受到坯料、出模方法等影响，应用较少，一般均采用开式模锻工艺进行锻造。

为确定工艺方案，首先对∅400 缸底开式模锻工艺方案进行了分析计算。据《锻造手册》推荐的锻锤吨位计算公式：

3.5～6.3——生产率系数，生产率越高数值越大。此处取平均值4.9；

F总——锻件（包括飞边）在水平面内的投影面积。取飞边宽40mm，经计算水平投影面积 F总≈2378cm2；

K——钢种系数(缸底材料为27SiMn，经查表钢种系数取1.1)。

计算得：G=12817kg。即锻造∅400 缸底采用一般生产率生产约需130kN 模锻设备，与现有设备相差较大。即使采用较低的生产率生产，即生产率系数取3.5 时，计算得G=9155kg，即仍然至少需要90kN模锻设备才能完成。以上分析说明，用50kN 模锻锤采用开式模锻工艺锻造此∅400 大缸底是不可行的，需研究其他工艺方案。

2 闭式模锻工艺分析

开式模锻的毛边槽由桥部和仓部组成，由于桥部的存在，造成锻件在成形过程中时间比较长，同时飞边降温速度又较快，使得所需成形力急剧上升。根据《锻造手册》可知，投影面积是影响锻造力的主要因素。开式模锻的飞边造成了所需设备吨位较大。因此，要降低锻造力，就需要减少工件的投影面积，去掉飞边是唯一可行的办法，即采用闭式模锻工艺来锻造∅400 缸底。闭式模锻由于无飞边，因而投影面积小，可大幅降低锻造成形力。据《锻造工艺学》介绍，对于同一锻件，在变形程度基本相同时，开式模锻和闭式模锻相比，闭式模锻可减少25%的锻造力。因此采用闭式锻造，可增加成功率。采用闭式模锻还可节省一套尺寸结构较大的切边模，同时也省去了切边环节，减轻工人劳动强度。

针对闭式模锻模具的特点，需对坯料进行优化设计。根据∅400 缸底零件图，缸底侧壁上有两耳，机加工侧壁比较困难，成本也较高，故锻件外壁不留加工余量，在锻造过程中注意清除氧化皮，锻件锻成后稍经喷砂和修磨，即能满足零件表面粗糙度要求。由于属于超负荷锻造，锻造成形时间要比正常情况长，锻件与模壁接触后温度下降较快，使金属流动性变差,不利于锻件成形,故对工件内窝的余量适当加大。据此制定∅400 缸底闭式模锻锻件图，如图2 所示。

设计时适当考虑加大内壁余量，增加侧壁厚度，应有利于成形。按此计算，毛坯最大直径为∅469。两耳加上余块和斜度后，投影面积约为165×26.5×2。则锻件最大成形投影面积为：

按照该权重系数分配方案计算各个候选父节点的综合评价值。即将该权重系数带入式(5),即可求得各个候选父节点的综合评价值。再由式(6),即可选出偏好父节点。即选择综合评价函数最小值对应的候选父节点为偏好父节点。

另外，在设计缸底锻模时,两耳在成形过程中能先充满的部分放在上部，下部是添加的余块。闭式模锻仍可参照开式模锻来选用设备吨位，其计算公式为：

从计算结果看，锻造∅400 缸底仍需70kN 模锻锤，但较前面的计算来看，情况显然好的多。我们进一步进行了分析研究，并根据有关参考资料介绍公式对成形力进行了计算。

在《锻造手册》中，对有砧座锤的打击力P（平均值）与能量的关系如下：

式中：P——锻锤的打击力；

Eg——锻锤公称打击能量；

δ1——锻坯在锻靠时的变形量；

δ2——砧座在打击过程中的下移量；

m1——落下部分质量；

m2——砧座的质量。

由上式大致得出，50kN 模锻锤的最终成形冲击力在40000kN～50000kN 之间，经计算，缸底获得的单位变形力至少为：

采用闭式模锻锻造∅400 缸底所需的变形力，可根据《锻压变形力的工程计算》一书中所给出的圆柱体闭式模锻镦粗单位变形力公式进行计算:

式中：P2——闭式镦粗时锻件所需的单位变形力；

a1——锻件角隙处的圆角半径（允许取值为10mm）；

R——凹模筒的半径，R=469/2mm；

由上式估算可得：P2≈2σs。

由于∅400 缸底材料采用27SiMn，850℃时的屈服极限为σs=90MPa，则要模锻出∅400 缸底需要的单位变形力为P2≈2×90=180MPa。经对比可得，50kN模锻锤能提供的单位变形力220MPa，完全能满足锻造∅400 缸底要求。

3 锻造比及工艺方案

根据缸底锻件图考虑烧损等计算出坯料重量，选用的坯料尺寸为∅300mm×351mm，由于坯料在模膛内镦粗成形后高度尺寸变为160mm，由《锻造工艺学》中局部锻造比计算公式可得

锻件中部的锻造比约2.2。按《金属压力加工原理》一书介绍，锻造比在2～3 之间时，锻件的横向力学性能与纵向力学性能达到最佳配比。因此，尺寸及外观合格的锻件，其锻件性能应当能充分满足支架对缸底的机械性能要求。

经多次分析计算和对比，确定锻造∅400 缸底的工艺方案为：下料（∅300mm×351mm）→煤气加热炉加热→闭式模锻成形（采用50kN 模锻锤）→修整。

4 缸底封闭锻模设计

根据以上研究分析，本着以下几个原则，最终确定了∅400 缸底闭式模锻的锻模（图3）：①尽可能减少工件的水平投影面积，降低锻造力；②在不影响成品质量和金属流动的情况下，尽量减少加工余量；③锻模结构要保证金属有较好的流动性能；④由于工件尺寸大，故既要考虑操作方便，又要考虑成形时氧化皮清理方便，以满足锻件表面质量要求，尤其是球面的质量应重点考虑；⑤锻件外壁拔模斜度为7°，内壁拔模斜度≥15°；⑥采用5CrMnMo 作为锻模材料，锻模毛坯首先进行锻造，锻造后进行等温退火处理，要求在粗加工后进行内部探伤。

5 试制过程

在试制过程中，重点控制以下几个方面：①锻模预热及模体工作温度控制；②锻造过程中压风压力保证；③锻坯加热时每炉装炉数量；④锻坯加热温度测控（利用红外测温仪）；⑤坯料出炉转运；⑥型腔润滑措施（采用石墨润滑装置）；⑦成品出模防磕碰措施；⑧锻件成品堆积数量及冷却方式；⑨锻后检测及缺陷修补等。

首批共试制了5 件，因锻件重达196kg，整个锻造过程比较艰苦，在坯料装出炉、锻造成形等环节均遇到较大困难。但最终试制的缸底成形基本良好，并经过各项检验，∅400 缸底完全满足图纸要求。

用50kN 模锻锤锻造∅400 缸底虽然获得了成功，但还是存在一定的问题：首先是设备吨位小，使得锻造成形力偏低，锻件成形时锻锤锤击次数较多，长此以往对锻锤会造成一定损害；二是因锻件成形时间较长，锻坯在模具中停留时间长，造成锻模升温较快，温度较高。锻件下锤后需喷大量冷却剂使锻模降温。而锻模骤冷骤热，降低了模具使用寿命。

6 结论

使用小吨位模锻锤，干超负荷模锻件，采用闭式模锻工艺是一种可行的思路。但在采用闭式模锻工艺锻造时，投影面积应尽量限制在开式模锻工艺所允许的范围内，这样可避免对设备和锻模造成的伤害。同时，在采用闭式模锻工艺时，应使工件形状易于充满；闭式模锻锻件的内外斜度应比开式模锻件的大。另外还应考虑工件出模的难易程度，在外形、斜度、余块、圆弧、余量等方面进行优化改善。在锻造超负荷锻件时，应重视锻坯加热质量和锻模润滑，采用性能优良的润滑剂，并使坯料保持在锻造温度上限，可有效降低锻造力，有利于锻件的脱模。

[1]中国机械工程学会锻压学会．锻压手册[M]．北京：机械工业出版社，1993．

[2]齐克敏，丁 桦．材料成形工艺学[M]．北京：冶金工业出版社，2006．

[3]江荣华． 无飞边闭式胎模锻新工艺 [J]． 锻压装备与制造技术，2010,45（1）.

[4]张志文．锻造工艺学．北京：机械工业出版社[M]，1983．

[5]钱元昆．偏心轮闭式套模锻造成形[J]．锻压装备与制造技术，1998，33（5）.

[6]于九明，庞维成．材料成形机械设备[M]．沈阳：东北大学出版社，2002．