作者：高桂堂，王夕鋒等

定扭螺母殼體（圖1）是用于組裝輪轂軸承的重要配件，對于鍛件精密度的要求非常高，鍛件的表面質量及形位公差需要嚴格控制，整體鍛件精度達到二級。這對鍛造工藝、模具的加工精度及粗糙度等方面提出了嚴峻的考驗。我們在接到客戶的開發需求后，合理地設計了工裝模具，通過試驗嘗試、不斷優化，最終成功開發出外觀好、精度高的鍛件產品。

圖1 定扭螺母殼體毛坯圖

產品分析

該定扭螺母殼體產品的12 個齒形的平面度要求為0.04mm，齒形角度偏差±15′，且一致性要求高，尺寸精度要求嚴格，鍛造拔模斜度小，根據產品的特點，決定選用閉式模鍛工藝，保證產品鍛造精度。

設備噸位及下料計算

通過鍛件三維造型確定鍛件的重量為1.638kg，最大投影面積為12277mm2，根據螺旋壓力機設備噸位計算公式：

P=kS/q

其中，P- 螺旋壓力機公稱壓力（kN）；k- 系數，當熱鍛或精鍛時，k 取80kN/cm2；S- 鍛件最大投影面積；q- 變形小的精鍛取1.6。

通過計算，鍛打該鍛件所需的最小設備噸位為6138kN，由于該閉式模鍛需要具備頂出裝置，所以根據我廠實際情況，選用10000kN 公稱壓力的電動螺旋壓力機。根據鍛件三維造型重量及鍛件最大面的截面積，計算得知讓鍛件完全充滿型腔的下料規格為：直徑φ 60mm，長度71.5mm。鍛件三維造型見圖2。

圖2 鍛件三維造型

成形過程模擬

借助DEFORM-3D 軟件對定扭螺母殼體產品進行鍛造成形工藝模擬，如圖3 所示。為簡化模型取產品1/12 進行模擬，定扭螺母殼體是一個閉式模鍛成形產品，成形一共需要兩個成形工序，從仿真的角度應該至少需要以下5 個工序：

工序1：空氣傳熱過程，是從爐子到壓力機的傳送過程，時間為7s；

工序2：下模上的停留，時間為0.7s；

工序3：坯料鐓粗預鍛成形，將高度從71.5mm鐓粗至45.5mm，同時去除氧化皮；

工序4：傳送到終鍛模過程，時間為3s；

工序5：終鍛成形。

圖3 成形過程模擬

模具設計

模座設計

根據定扭螺母殼體的尺寸輪廓特點，決定選用圓形模具，需重新設計圓形模座，模座設計如圖4 所示。通過設備噸位及設備的上下行程距離，確定圓形模座的高度及大小，設備要求的最小閉模高度為700mm。

（a）上模座

（b）下模座

圖4 圓形模座

成形模設計

成形模具設計的關鍵點在于：

⑴上下模的內部合模間隙，控制在0.1 ～ 0.15mm，外部合模間隙控制在0.4 ～ 0.6mm。

⑵上模的沖頭與下模的肩部間隙控制在鍛件尺寸的下公差以上，取0.5mm；凸模的肩部厚度控制在15mm 以上，此處設計為18mm；考慮到鍛件料溫及下料長度的誤差，將多余的料轉移到可以后續加工的位置上。

⑶為了安裝模具方便，在上、下模上分別設置2個起吊孔；上、下模的底部設置7°的凸臺，便于壓圈將模具固定于模座。

具體設計方案如圖5 所示。

（a）上模

（b）下模

圖5 成形模

頂出裝置設計

⑴頂出裝置在設計時需考慮頂料平臺到鍛件的下端距離。考慮頂料裝置的頂出行程為120mm，而鍛件的頂出高度要求不能超過40mm，在設計時將頂料桿（圖6）分為兩部分，其中兩個頂料桿的間隙控制在90mm，還需保證頂料桿不能將模具頂出。

（a）頂料桿1         （b）頂料桿2

圖6 頂料桿

時需設計導向部分，尺寸要求長度在30 ～ 50mm 之間，考慮到材料的熱膨脹問題，導向段頂桿直徑公稱尺寸比孔徑小0.3 ～ 0.4mm，桿部外徑規定負偏差記-0.05mm，孔選正偏差+0.05mm。

⑶頂料桿承重部分間隙考慮到不至于使金屬鍛打時擠入頂料孔，設計為雙邊0.1mm 以內。頂料桿頂料部分直徑與沖孔連皮直徑相同，防止因頂料痕跡影響鍛件外觀。

沖孔工裝設計

鍛件成品的沖孔連皮厚度為10mm，設計沖孔模具時，設計的關鍵點有兩個方面：一是控制凸模與凹模的沖孔間隙，間隙設計為0.1mm，不至于使毛刺外露影響外觀；二是需設計擋料裝置，在設備回程時，使卡在沖頭上的鍛件能自動掉落。沖孔模總裝圖如圖7 所示。

圖7 沖孔模總裝圖

1- 模柄；2- 上墊板；3- 上底板；4- 墊片；5- 卸件擋板；6- 沖孔凹模；7- 凹模墊板；8- 凹模墊塊；9- 螺栓M20×80；10- 螺母M20 11- 沖頭

存在的問題及改進措施

鍛打出的成品為方便后續工序加工，熱處理采用退火工藝降低鍛件的切削硬度，但在熱處理的過程中，鍛件會產生一定的變形，影響了齒形的平面度精度。我們對鍛打的產品隨機挑選5 件分別測量了齒形高度。測量數據見表1。產品實物如圖8 所示。

圖8 產品實物

存在的問題與不足：1）鍛件表面有氧化皮，影響鍛件表面質量；2）鍛打時，鍛件由于模具的表面粗糙度和上模拔模斜度的問題，工件會抱死在上模，很難取下；3）鍛件齒形的平面度在0.05 ～ 0.1mm之間，沒有達到標準要求的0.04mm；4）拋丸后由于鋼砂直徑太大，導致鍛件表面不光滑，達不到使用標準的粗糙度要求。

整改措施：1）控制鍛打溫度在830 ～ 880℃；2）鍛打毛坯時鐓粗去掉氧化皮；3）終鍛前蘸水去掉氧化皮；4）下模斜度由原來的2°改為0.5°；5）上模斜度由5°改為8°；6）上模尖角改為R5 圓弧；7）為方便工人師傅起件，將上模的圓形鎖扣開4 個槽；8）中間芯頭部改為大圓弧面；9）在1000t 液壓機上增加精整工裝。

結束語

隨著汽車行業的不斷發展，主機廠對于鍛件精密度的要求越來越高，對鍛件的表面質量及形位公差提出了更高的要求，本次定扭螺母殼體閉式模鍛工藝的成功為我廠后續無飛邊鍛造指明了方向。隨著鍛件利用率的提高，節約效益巨大，同時對同行業有一定的借鑒參考價值。

——摘自《鍛造與沖壓》2019年第3期