深腔薄壁重型过滤器外壳的纯冷锻工艺设计

文／刘永康，庄日松·江苏威鹰机械有限公司

过滤器在工程机械中的作用就如同肾脏之于人体，让工程机械润滑系统内的油液保持无杂质的清洁状态，对工程机械能否正常使用至关重要。为了能够充分发挥工程机械液压滤清器的设计功能，往往需要在滤清作业中对液体加压，以达到增大流量、快速滤清的效果，因此，过滤器外壳(图1)的承压能力将对整个滤清系统起到重要的作用。

图1 某过滤器外壳

初始工艺方案：温/热锻+冷锻

在我司目前已量产的产品中，小、中型过滤器外壳及DCT 汽车变速器蓄能器外壳，可谓是与之为同类型产品，经过成本核算及性能试验，原有的热锻+冷锻的方式并不是最优解。

温/热锻中存在的问题

温/热锻顾名思义，在锻造起始时需要对坯料进行加热，但是重型零件加热设备的通用性、能源的利用率相对来说都比中小型零件表现的差很多。此零件毛坯重量达到了19.5kg，通过热锻工艺加工的耗料更是达到了23.5kg，以φ120mm 的棒料为例，下料长度需要264.7mm，此时的长径比为2.2，使用中频加热的方式，很难确定棒料的中心温度与表面温度是否一致，且如此大小的中频炉膛使用频率极低，通用性极差。

在热锻过程中，受大变形量及设备吨位的限制，会将加热温度提高到1200℃左右，此时棒料表面会产生大量的氧化皮，虽然在产品工艺设计过程中会考虑增加除鳞工序，但并不能达到表面无凹坑的效果。高温除了会导致零件氧化还会使锻造模具的磨损加剧，以成形上模为例，模料选用H13，热处理硬度58HRC，经过600 件锻造后，模具磨损程度已无法接受，需要返修模具后再生产。模具寿命低，且无法开展有效率的生产工作。另外，较高的加热温度还会使锻造后的金相组织异常，需要通过正火进行改善，重型零件的每一次搬运都会产生较高的成本，并且出炉温度550℃，对生产操作人员很不友好。除此以外，热锻产品的制坯余量相对较大，因此，料耗也相对较高。

纯冷锻工艺中存在的技术性难题

从零件结构上不难发现，此产品属于深孔型零件，适合反挤工艺；零件材料为20 号钢，适合冷锻。初步工艺设想为冷反挤出坯(图2)，再冷拔长(图3)。在实际的工艺开发试制中出现的问题如下。

图2 冷反挤压出坯

图3 冷拔长

上下模具的力学极限

使用有限元软件对产品进行FEA 锻造力分析，从棒料锻造至图2 毛坯产品，需要2115 吨，如图4所示。锻造模具上模最小直径为106.6mm，据此计算上模单位面积力为2352MPa，符合小于2500MPa的行业标准。

图4 锻造成形力分析

上、下模具的表面拉毛问题

坯料在模具内的流动会对模具表面形成一定的磨损，在流动的同时还会产生大量的变形热。锻造后产生的瞬间高温为500℃，如图5 所示；锻造结束后的锻坯内部温度为256℃，如图6 所示。

图5 锻造后产生的瞬间高温为500℃

图6 锻造结束后的锻坯内部温度为256℃

硬质合金模具的硬度很高，但韧性很差，需要在外圈有较大的预紧力的情况下才能有较好的使用效果，在此模具结构的限制下，无法使用硬质合金材料以抵抗模具与坯料的粘连。在变形热与大流量的双重作用下，很容易产生模具冲头粘料、拉毛现象。

冷拔长锻造比的选择

冷锻出坯后，产品的表面和心部均有不同程度的硬度提升，金相组织也会发生相应的改变，如不能合理的设置冷拔长的锻造比，可能会引起产品拉裂、拉断，如图7 所示，正确锻造比下的锻造情况如图8 所示；如设置过小的锻造比，除了会增加锻造道次，更会因锻前料坯过长，设备的开口高度不够，无法实现所设计的工艺。

图7 锻造比不合适引起产品拉裂、拉断

图8 合适的锻造比设置产品良好

试制情况及问题解决

选用直径为170mm 的原材料下料，进行球化退火处理，金相组织如图9 所示，球化后的原材料能够满足球化率不小于80%的要求，硬度不大于65HRB，为冷锻打下良好基础。

图9 球化退火处理后的金相组织

为防止在冷反挤过程中产生拉毛，对上下模的表面粗糙度进行了严格的控制，另外对坯料的表面磷皂化也做了较为严格的控制。

图10 为冷反挤后的产品，设备主缸压力表显示为19MPa，换算吨位2280t，与有限元分析差异4%，可认为符合理论预测，无其他异常因素影响。

图10 冷反挤后的产品

后续几道冷锻拔长，在设计过程中考虑合理的锻造比，使得产品能够顺利生产，图11 所示为拔长1、拔长2、拔长3、拔长4 产品图片。

图11 冷锻拔长过程

在理论的分析下，预先设置了较为合理的锻造过程参数，经过合理的模具表面处理，棒料表面处理，使得整个锻造过程无异常情况，当然，我司的设备多样性具有得天独厚的条件，从3000t液压机到315t大行程液压机，使得我们在工艺设计上可以放开手脚，努力将各个环节做到与工艺设想相吻合。

如前文提到，零件的性能要求相对较为严格，抗拉强度要求不小于500MPa，屈服强度不小于350MPa，延伸率不小于8%。对此，我们送检了第三方，进行试验验证。图12 为以冷锻工艺生产的产品性能测试结果，图13 为热锻+冷锻工艺生产的零件的性能检测结果，通过两份报告可以看出，冷锻产品的抗拉强度相对提高21.7%，屈服强度相对提高19.2%，延伸率有所下降。

图12 冷锻工艺生产的产品性能测试结果

图13 热锻+冷锻工艺生产的零件的性能检测结果

结束语

此次工艺的优化设计，使得深腔钢筒类产品完成了从热锻+冷锻到纯冷锻的工艺转变，大大缩短了工艺路线长度，提高了零件的抗拉强度和屈服强度，与此同时，提高了管理效率，降低了生产成本；从材料学的角度考虑，延伸率有所下降在情理之中，、因为在客户的使用过程中，抗拉强度、屈服强度才至关重要。