噴油器體鍛模優化設計

李志廣，劉碧芬，宋偉民

（1.北方通用動力集團有限公司，山西大同037036;2.江麓機電集團有限公司，湖南湘潭 411100）

在模鍛成形時，如果鍛模設計不合理，則極易導致模鍛工藝性差、鍛造效率低、變形力大、鍛模使用壽命低、原材料消耗大、合格品率低以及鍛模與鍛件成本較高等現象。以150柴油機噴油器體模鍛成形為研究對象，對鍛模結構與尺寸進行分析和優化設計可有效克服原鍛模設計的缺點。

1 模鍛工藝性分析

噴油器體模鍛件為軸類件（見圖1），在模鍛成形時采用調頭模鍛成形的方法。調頭模鍛是指在同一套鍛模上將1件坯料先模鍛成形坯料一部分以后再將鍛件前后旋轉180°調頭模鍛再成形坯料的另一部分，可在這1件坯料上獲得1個、2個、4個、6個或2n個鍛件，噴油器體調頭模鍛可實現1料2鍛［1—2］。噴油器體調頭模鍛成形的主要工藝過程為:加熱→模鍛（滾擠和終鍛+調頭滾擠和終鍛）→切邊，其中該工藝過程的關鍵是模鍛工序，模鍛工序的關鍵是鍛模優化設計。

圖1 噴油器體模鍛件圖Fig.1 Die forging billet of fuel injector body

因原鍛模設計（尤其是鍛模的鎖扣、終鍛模膛、飛邊槽、鉗口、滾擠模膛等結構與尺寸設計以及與滾擠模膛高度尺寸有關的原材料下料規格選擇等）沒有達到最優化程度，從而導致模鍛成形的工藝過程和工藝過程結果（如模鍛工藝性、原材料消耗、合格品率、鍛造效率、鍛模使用壽命以及鍛模與鍛件成本等）也沒有達到最優化程度，因此，鍛模設計還有優化的潛力和空間。

2 鍛模優化設計

噴油器體鍛模設計的關鍵是優化設計鍛模的鎖扣、終鍛模膛、飛邊槽、鉗口、滾擠模膛等結構與尺寸以及根據滾擠模膛高度尺寸優選原材料下料規格等。噴油器體鍛模優化設計的要點如下:

1）優化鍛?？傮w結構與尺寸設計。原鍛?？傮w結構為1左半對角和右對角式鎖扣、1個單終鍛模膛、1個飛邊槽、1個滾擠模膛和1個鉗口，上模和下模的外形長寬高尺寸皆為300 mm×350 mm×350 mm（高度尺寸為300 mm即可滿足設計要求，為提高鍛模高度方向再利用的翻修次數，將高度尺寸設計為350 mm）;優化設計的鍛?？傮w結構為1個左縱和右對角式鎖扣、2個終鍛模膛、2個飛邊槽、2個鉗口和1個滾擠模膛（見圖2），上模和下模的外形長寬高尺寸仍皆為300 mm×350 mm×350 mm（高度尺寸為300 mm即可滿足設計要求，為提高鍛模高度方向再利用的翻修次數，也將高度尺寸設計為350 mm），優化設計鍛模的終鍛模膛與終鍛模膛、終鍛模膛與鉗口、鉗口與鉗口、終鍛模膛與模塊外壁、終鍛模膛與鎖扣以及鎖扣與鎖扣之間布置結構和尺寸高緊湊又強度足夠，使用性能優越，操作簡單可靠［3—5］。

圖2 噴油器體鍛模圖Pig.2 Forging die of fuel injector body

噴油器體在鍛模中的工作過程為:滾擠→終鍛→調頭滾擠→終鍛，即先將加熱坯料的一半部分在滾擠模膛中滾擠制坯，然后在任意一個終鍛模膛中將該部分終鍛成形為1件鍛件（包含飛邊）;再將前后旋轉180°的坯料另一半調頭滾擠制坯，最后再在任意一個終鍛模膛中將該部分終鍛成形為另1件鍛件（包含飛邊），實現1料2鍛和小無坯料鉗夾頭。

2）優化鍛模鎖扣結構與尺寸設計。鎖扣由原設計的左半對角和右對角鎖扣結構優化設計為左縱和右對角鎖扣結構，同時將滾擠模膛設置在左縱鎖扣上，鎖扣結構緊湊又強度足夠，既有利于發揮鎖扣的導向作用和滾擠模膛的滾擠制坯作用，又有利于減小鍛模寬度尺寸。

3）優化鍛模終鍛模膛結構與尺寸設計。將原鍛模的1個終鍛模膛結構優化設計為2個縱向錯落排列的終鍛模膛結構，2個終鍛模膛前后偏移距離為40 mm（可減小鍛件縱向排列的寬度尺寸），左右偏移距離為80 mm（2個終鍛模膛水平放置的橫向外輪廓全部位于鍛模模座燕尾水平寬度范圍之內，符合在10 kN或20 kN模鍛錘上的鍛模終鍛模膛與鍛模燕尾中心線偏心距離的要求范圍），終鍛模膛與終鍛模膛、終鍛模膛與鉗口、終鍛模膛與模塊外壁、終鍛模膛與鎖扣以及鎖扣與鎖扣之間既相互聯系又相互制約，布置結構和尺寸高緊湊和強度足夠，鍛模偏心力矩小。在鍛模工作中，經過滾擠制坯后的坯料可在任意一個終鍛模膛內進行終鍛（最佳操作順序是在2個互不干涉的終鍛模膛中交替進行終鍛），使鍛模的冷卻條件得到改善，可最大限度地減少溫度為1200～850℃的高溫坯料在終鍛模膛中的停留時間、降低終鍛模膛溫升速度以及降低終鍛模膛變形、磨損、疲勞裂紋和斷裂失效速度，相應提高了鍛模使用壽命;同時，采用反變形模鍛法［6］，特將如圖1所示的模鍛件過渡處的未注凸圓角半徑R3 mm在終鍛模膛中（終鍛模膛的形狀與尺寸是通過終鍛熱模鍛件圖來體現的）設計為凹圓角半徑R2 mm，因此，在終鍛時會很輕易地將該凹圓角半徑R2 mm充填成形為R2 mm～R3 mm，以最大限度地反變形彌補終鍛未充滿的傾向性以及減少廢品損失和提高模鍛效率（終鍛打擊次數少為2或3錘次/件）。

4）優化鍛模飛邊槽結構與尺寸設計。原鍛模飛邊槽既設置飛邊槽橋部結構又設置飛邊槽倉部結構;優化設計的2個飛邊槽與2個終鍛模膛的結構

其中:F計為計算毛坯橫截面積;F鍛為鍛件橫截面積;η為充填系數，形狀簡單和復雜的分別取0.3～0.5和0.5～0.8（無量綱）;F飛為鍛件飛邊槽橫截面積;d計為計算毛坯直徑;h桿為滾擠模膛桿部高度;h頭為滾擠模膛頭部高度。

以確定如圖1所示的噴油器鍛件桿部φ31 mm處的鍛模滾擠模膛高度尺寸h桿為例（其它不同部位的滾擠模膛高度尺寸確定方法與此同理），將滾與尺寸相輔相成:因在模鍛成形時的終鍛模膛最大寬度處只產生寬度為3～5 mm的微小飛邊（飛邊橋部寬度為8 mm），其余部位的飛邊寬度為15～30 mm，因此，在2個終鍛模膛的橫向外側最大寬度處只設置飛邊槽橋部結構而無飛邊槽倉部結構，而在其余部位既設置飛邊槽橋部結構又設置飛邊槽倉部結構，同時將靠近鉗口部位的飛邊槽倉部結構與鉗口過渡連接處貫通，以形成與飛邊槽倉部高度相同的間隙空間（見圖2主視圖），以有利于在鍛模閉合后在2個鍛件之間形成的過渡飛邊具有足夠的抗彎曲能力，該飛邊槽結構緊湊又能滿足使用要求，有效減小飛邊槽橫向外輪廓到導向鎖扣的距離，相應地減小了鍛模寬度尺寸。

5）優化鍛模鉗口結構與尺寸設計。優化設計的2個鉗口不是原設計1個鉗口變為現在2個鉗口的簡單組合，而是與2個終鍛模膛和2個飛邊槽的結構與尺寸設計相輔相成:2個鉗口左右相鄰且縱向錯落排列，前后偏移距離為40 mm，左右偏移距離為80 mm（水平放置的橫向外輪廓總寬度尺寸與飛邊槽橫向外側最大寬度尺寸相近），2個鉗口結構緊湊又強度足夠，在終鍛操作時可順利地夾持鍛造坯料和取出鍛件。

6）優化鍛模滾擠模膛結構與尺寸設計。滾擠模膛的桿部和頭部高度尺寸對終鍛變形力、鍛件質量、模鍛效率、鍛模使用壽命和原材料消耗等有直接影響，滾擠模膛桿部的高度h桿和頭部高度h頭的大小，應在理論計算的基礎上，再根據有關約束條件最終確定。滾擠模膛的桿部高度h桿和頭部高度h頭的計算公式［7］:擠模膛桿部的F鍛=755 mm2、η=0.3和F飛=122 mm2代入式（1），可得F計=791 mm2;將F計=791 mm2代入式（2），可得d計=31.8 mm;將d計=31.8 mm代入式（3），可得滾擠模膛桿部高度h桿=（22.2～25.5）mm;充分考慮鍛件桿部形狀簡單而成形容易、鍛件坯料在調頭后始鍛溫度略為降低、滾擠模膛體積不斷變形增大、飛邊體積不斷增大、模鍛不足和未充滿傾向性大、鍛造效率低和鍛模使用壽命低等影響因素，在實際設計時，特將鍛件桿部φ31 mm處的滾擠模膛高度h桿由原設計的25.0 mm優化設計為22.5 mm（同理，將鍛件頭部最大寬度71 mm和最大高度39.5 mm處的滾擠模膛高度h頭由原設計的53.0 mm優化設計為51.0 mm）的效果最佳，可有效克服原鍛模設計存在的缺點，為實現模鍛終鍛成形的工藝性好、小飛邊模鍛、尺寸一致性好、合格品率高、省力省時、鍛模使用壽命高等提供了良好的中間過渡形狀與尺寸準備。

7）根據鍛模滾擠模膛高度尺寸優選原材料下料規格。原材料下料規格與滾擠模膛的桿部高度h桿和頭部高度h頭具有相關性，因此，在優選原材料下料規格時，應優先考慮桿部和頭部滾擠模膛高度h桿和h頭尺寸對原材料下料規格的影響，其次還要考慮鍛件坯料在調頭后的始鍛溫度略為降低、滾擠模膛不斷變形增大、飛邊體積不斷增大、模鍛不足和未充滿傾向性大、鍛造效率降低和鍛模使用壽命降低等不利因素對原材料下料規格的影響［8］;生產實踐表明，將噴油器體模鍛件的原下料規格由 φ45 mm×210 mm（2.62 kg/2件）優選為φ42 mm×213 mm（2.32 kg/2件）時，鍛件滾擠和終鍛的難變形區小、尺寸一致性好、合格品率高、變形力小、原材料消耗?。p少原材料消耗0.15 kg/件）、模鍛效率高（減少打擊次數3～5錘次/件）和鍛模使用壽命高。

3 結語

1）噴油器體模鍛成形的關鍵是鍛模設計，鍛模設計的關鍵是優化設計鎖扣、終鍛模膛、飛邊槽、鉗口、滾擠模膛等結構與尺寸以及根據滾擠模膛高度尺寸優選原材料下料規格等;所優化設計的噴油器體鍛模，結構高緊湊又強度足夠，使用性能優越，可為類似鍛模設計和實際生產提供有力的參考依據。

2）噴油器體鍛模優化設計有效改善了噴油器體模鍛成形的工藝性、實現了小飛邊模鍛（減少原材料消耗0.15 kg/件）、鍛件尺寸一致性好、鍛件合格品率由原97%提高到99.5%、省力省時效果好（減少打擊次數3～5錘次/件）、提高鍛模使用壽命至少1倍和降低鍛模成本40%以上。

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