空心轴类锻件的锻造工艺很多，长径比大的细孔类锻件由于在压力机上穿孔难度较大，往往锻造成实心轴，孔靠机加工做出，对于长径比小的粗孔类锻件则用带拔模斜度的芯棒锻出盲孔，锻出盲孔由于在锥孔侧面与锻模之间存在较大的摩擦力，在锻出孔时芯棒要承受较大的轴向和径向压力，加上锻件的高温作用，芯棒寿命大大缩短。本文通过改变锻件孔的成形方法，尝试用无拔模斜度锻挤方式，在锻造空心轴类锻件上做了有益的探索，取得了良好的效果。

空心轴类锻件在锻造过程中是否锻孔、锻多深的孔，内孔高径比大的细长孔，往往会选择不锻孔或只锻出孔的一部分，后续留给机加工来完成，因为锻孔会增加锻造力，使得上模冲头寿命缩短。尤其是长轴类锻件，锻件的高度，加上模具的高度，还要留出放料和取件空间，要满足装模高度和取放料的滑块空间的需要，就要选择具有足够装模高度和行程的压力机，设备造价会大幅度提高，从而增加锻件的总成本，这就限制了锻造细长内孔的工艺使用。那么有没有一种在不大幅度增加装模高度和滑块行程，即不大幅度增大设备造价情况下实现长孔类锻件锻出内孔，来提高材料利用率和降低机加工量的方法呢？带着这个问题笔者做了有益的尝试，并在实际应用中取得了很好的效果，以下用成功的例子来介绍新的冲孔工艺。

旋转轴的锻造工艺

空心轴类锻件工艺分析

空心轴类锻件是一种常见的锻件，比如变速箱中的二轴花键套，双联齿轮等，图1 是空心轴锻件的产品图纸，根据产品图做出锻件图，见图2。

图1 产品图纸

图2 锻件图

空心轴类锻件工艺分析，普通的锻造方式是不容易锻出长孔的，因为毛坯内孔的长径比较大，普通压力机滑块在没有顶料系统的情况下，拔模斜度不能小于7°，即使有卸料系统，孔的拔模斜度也要大于3°，为了保证锻件顺利脱模，锻件就要设计成图3 的形式。

图3 保证顺利脱模的锻件形式

从图上可以看出，上模的穿孔凸模拔模斜度为7°，底部的最小直径只有φ10.9mm，这样细的凸模被热料包裹着，受力非常大，会使模具的寿命非常低，锻造时模具头部很快就被锻件加热到相变温度，在强摩擦力及轴向压力的作用下模具会很快失效。细长孔模具寿命就会大大降低，所以很多厂家在锻造这类深孔锻件时，往往不锻出长孔，而是留给后续机加工来完成。

很多锻造企业为了节约原材料、降低成本、提高产品综合效率，都希望把内孔材料省下来，有没有更好的方法即能够锻出孔、又能够简化锻造工艺，提高模具寿命，笔者经过实践，找到了有效的解决办法，锻出了内孔和外圆均不带拔模斜度的空心轴类锻件，我们可以称为无拔模斜度锻挤工艺，无拔模斜度锻挤分两步成形，第一步先锻出上部的法兰盘(见图4)，第二步再挤出无拔模斜度的圆筒部位(见图5)，此时锻件锻造就已完成。无拔模斜度锻挤工艺设计思路是模具的压力只作用在锻件变形区域，不变形区不受任何抗力，不仅模具寿命会有提高，同时可以降低锻造设备吨位。

图4 先锻出上部的法兰盘

图5 挤出无拔模斜度的圆筒部位

无拔模斜度锻挤模具结构

无拔模斜度锻挤模具结构见图6，模具各部位名称及材质见表1，模具实物见图7，锻件见图8。

表1 模具各部位名称及材质

图6 无拔模斜度锻挤模具结构

图7 无拔模斜度锻挤模具

图8 试制锻件

无拔模斜度锻挤工艺不仅仅是为了节约材料，更重要的是为了降低锻挤压力。锻挤压力主要来源于以下两部分。

⑴锻件的锻挤承击力，这个力是锻件变形所需要的有效力，锻挤承击力的大小取决于锻件原材料的热变形屈服强度、加热温度、锻件的承击面积、锻挤模的结构等因素。屈服强度和始锻温度是产品材料决定的，承击面积是锻件尺寸决定的。

⑵锻挤模侧壁摩擦力，侧向摩擦力的产生主要是锻挤模孔的内壁与锻件内外壁发生轴向移动时侧壁间的径向压力产生的轴向摩擦力，摩擦力的大小主要取决于挤压模的径向压力大小，润滑方式是辅助降低压力提高模具寿命的另一种手段。

从以上分析可以看出要降低锻挤压力，只能从锻挤模结构优化设计来考虑，方法如下。

⑴降低模具侧面压力，理论上模具侧面的摩擦力可以趋近于零，即锻件侧面与锻件接触面积越小越好。

⑵上下模的底面与锻件产生的底面摩擦力不可避免，只有从优化模具结构和降低表面粗糙度来考虑降低摩擦力。

根据以上分析，设计图9 所示锻挤上模结构。图中锻挤上模的直径D 根据锻件孔的大小来设计，尺寸d、h 和锥角α°采用模拟确定，找到应力及压力最小状态，这是保证模具寿命的关键，尺寸μ=(D-φ)/2 既要保证锻件孔内壁在锻件挤出后温度略降后与上模杆部处于间隙配合，以保证锻件摩擦力趋于零，同时还起到为锻件导向的作用，防止锻件在挤出下模后出现弯曲变形。锻挤上模的总长H 要大于锻件锻挤出孔后的高度+卸料器的高度+卸料拉杆长度及弹簧压缩行程+上模固定板的总高度+锻件锻成后的高度。

图9 锻挤上模

图10 是模具闭合时的状态，S1 是上模锻挤时从接触锻件到挤压完成时的行程，δ 是锻件挤压过程中伸长的尺寸，α°是下模模腔内壁的拔模斜度，这个斜度在0.5°以内，锻件被挤成桶形后，有回弹和热胀冷缩的特性，所以不用担心拔模斜度小了或没有拔模斜度，锻件从模具中难以顶出的情况。

图10 模具闭合状态

模具设计应注意问题

⑴模具设计时要考虑锻件毛坯放入和取出的空间距离，也就是说设备滑块的行程、装模高度以及模具模架上的每种件的高度尺寸链都要经过仔细计算。

⑵模具行程与卸料板弹簧长度及钢丝的直径，以保证能够正常上料，同时卸料板压到与锻件接触位置时弹簧不被压实为准，如果设备也有上顶料系统就可以不用考虑弹簧结构。当然也可以采用模具外的卸料系统来卸料。

⑶终锻挤压模和终锻挤压凸模的模具结构设计要考虑模具侧壁与锻件不要贴合紧密，贴合过紧会使锻件与侧壁摩擦力过大，消耗大量的变形能量；同时锻件锻挤完成后，由于锻挤后锻件温度的降低，接触面全部贴合在凸模上，卸料力小了无法从模具上取下，直接影响生产效率和模具寿命。

更多锻件用无拔模斜度锻挤工艺的实例

壳体锻件

壳体锻件(见图11)的无拔模斜度锻挤力模拟最大数值为850000(N)=85 吨(见图12)，锻造结束时模拟最大数值为739000(N)=73.9 吨(见图13)。从模拟数值上可以看出无拔模斜度锻挤力最大值是在锻挤上模头部刚好全部进入锻件内时达到峰值，随着冲头继续挤入锻件，锻挤力不升反降，受力曲线开始向右下方平直走向。图14 是用无拔模斜度锻挤成形的锻件，而带拔模斜度的冲孔锻模压力曲线(见图15)则是随着上模下压成为斜向右上方的曲线，当锻造结束时锻造力达到峰值。

图11 壳体锻件

图12 无拔模斜度锻挤力模拟最大数值

图13 锻造结束时模拟最大数值

图14 锻挤成形的锻件

图15 带拔模斜度的冲孔锻模压力曲线

图16 锻件实物

筒体锻件

筒体的压力曲线和壳体的无拔模斜度锻造相似，也是上模的锻挤力达到峰值的压力是上模最大锻挤力330 吨，此段行程相当于普通锻造内孔，当上模头部力1230 吨；锻挤杆部，最大锻挤力124 吨，锻挤结束时锻挤力为125 吨；冲孔内连皮，最大冲切力51.4 吨。图17 是锻件实物。

图17 空心轴锻件

轮边减速器壳

轮边减速器壳锻件图见图18，锻挤上模锥角为17°时，第一步锻造最大压力为8160 吨，无拔模斜度锻镦初始压力为2210 吨，结束时压力为2160 吨。

图18 轮边减速器壳锻件图

锻挤上模锥角为20°时，第一步锻造最大压力为3570 吨，无拔模斜度锻镦初始压力为1920 吨，结束时压力为1960 吨。

上模锥角为17°时，压力明显大于20°，所以在锻挤上模设计时，如果想降低锻挤力，解决办法是增大锥角，当然如果改成球形(例如飞机、高铁的风阻流线型)，模具效果会更好，只是增加了后续冲切连皮时的难度，冲头寿命会因此降低。

上面多个例子有一个完全进入锻件内部时，锻挤力开始随着锻挤上模的继续下压，挤压力反而逐步回落，当行程结束时，锻挤力只有267 吨。锻件实物照片见图16。

空心轴锻件

空心轴锻件锻造工艺分成四道锻挤工艺：预锻轴头部，最大锻挤力843 吨；轴头部成形，最大锻挤普遍现象，就是无拔模斜度锻挤力，随着冲头再继续挤入锻件，锻挤力不生反降，理论上讲应该是近似由于稳定的压力，到连皮很薄时，由于加工变化的积累会出现压力升高，但也要考虑锻挤上模压下时锻件温度会瞬间升高，材料的塑性会下降，因此锻挤力下降也许与这个因素有关，从模拟的数据来看与通常的想象存在不同，这个问题也是我们今后要进一步研究的课题。

无拔模斜度锻挤与普通模锻工艺的成本分析

表2 和表3 为旋转轴类锻件无拔模斜度锻挤与普通模锻成本分析比较，可以看出，旋转轴类锻件无拔模斜度锻挤下料重仅为普通模锻的73.26%，节约原材料26.47%，热处理节约26.74%，机加工更是节约55.73%，综合总成本节约27.88%。由此得出结论，用无拔模斜度锻挤模具锻造的锻件有很好的经济效益。

表2 旋转轴类锻件无拔模斜度锻挤与普通模锻成本分析比较

结束语

锻造空心轴类锻件的工艺方法确实非常关键，因为不同的锻造方法将直接影响锻件的质量、材料利用率以及生产效率。传统的锻造细长孔的方法，如前所述，通常涉及到先锻造成实心形态再通过机械加工来制作内孔，这样不仅耗时耗力，还增加了材料的成本。

采用无拔模斜度锻挤模具方式进行空心轴类的锻造，是一个创新且有潜力的方法。这种方法包含以下几个优点。

⑴减少机加工时间：由于在锻造阶段就直接形成了接近最终形状的内孔，这样可以显著减少后续的机加工量，节省时间和成本。

⑵提高材料利用率：无拔模斜度的锻造可以更有效地利用材料，减少锻造过程中的材料损耗。

⑶延长模具寿命：去除拔模斜度减少了模具和锻件之间的摩擦，这有助于降低模具受到的应力，进而延长模具的使用寿命。

⑷改善锻件质量：通过优化锻造过程，可以获得更好的材料微观结构和机械性能。

⑸提高生产效率：简化锻造与加工流程，减少生产周期，加快产品交付速度。

这种改进的锻造方法需要在实际操作中仔细地设计锻模和锻造工艺流程，以确保锻件能够达到预期的技术要求。同时，也需要对锻造设备提出一定的要求，确保能够在高温高压的条件下精确控制锻件的成形。