導套輾環(huán)工藝及模具設計

文/孫建華·山東礦機集團萊蕪煤機有限公司

導套輾環(huán)工藝及模具設計

文/孫建華·山東礦機集團萊蕪煤機有限公司

導套輾環(huán)件寬度大，外部臺階多，壁薄，鍛件輾擴難度大，產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，廢品率高，合理的工藝制定非常關鍵。針對這一問題，通過運用摩擦壓力機閉式擠壓制坯，徑向輾環(huán)機半封閉輾擴的工藝方法，最終將產(chǎn)品試制成功，并批量生產(chǎn)。產(chǎn)品生產(chǎn)效率大幅提高，產(chǎn)品質量穩(wěn)定，取得了較好的經(jīng)濟效益。

隨著我國裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，各種輾環(huán)件由于其內(nèi)在質量好、加工余量小、生產(chǎn)成本低而越來越受到用戶的青睞。該類產(chǎn)品的種類繁多，市場需求量也在不斷大幅度增長，巨大的市場需求吸引了很多中小型鍛造企業(yè)進入這個行業(yè)。我們根據(jù)市場定位，走專業(yè)化輾環(huán)鍛件生產(chǎn)道路，由于產(chǎn)品綜合市場競爭力很強，市場供不應求，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

近年來，礦業(yè)機械行業(yè)發(fā)展迅速，液壓支架設備關鍵部件——導套輾環(huán)件市場需求穩(wěn)步增長，該類產(chǎn)品品種較多（尺寸大小不同），為了便于說明，本文以其中一種為例，對該類輾環(huán)件的鍛造工藝進行介紹，導套鍛件圖如圖1所示。

產(chǎn)品特性分析

從圖1中可以看出，該產(chǎn)品屬于外多臺階高頸法蘭類輾環(huán)件，由于具有頸高、壁薄、臺階多等特點，決定了該類產(chǎn)品輾擴難度較大。該產(chǎn)品鍛件重量為36.5kg，材質為27SiMn，具有以下特點：

圖1 導套鍛件圖

⑴外圓有三個臺階。一般輾環(huán)件外圓普遍有兩個臺階，而該產(chǎn)品外圓有三個臺階，外徑尺寸自上而下逐漸減小，產(chǎn)品外形呈T形。

⑵內(nèi)孔大。該產(chǎn)品內(nèi)孔為無臺階直孔，內(nèi)孔尺寸為φ335mm，和一般產(chǎn)品相比，內(nèi)孔較大。

⑶壁薄。壁厚最薄處只有20.5mm，屬于比較薄的一類產(chǎn)品。

⑷頸高。鍛件總高度為156mm，和常規(guī)中小型輾環(huán)類產(chǎn)品相比較，高度尺寸較大。

工藝流程及預制毛坯尺寸

工藝流程

由于該產(chǎn)品屬于中小型輾環(huán)件，所以采用立式徑向輾環(huán)比較適合。該產(chǎn)品采用的立式輾環(huán)工藝流程為，下料→加熱→鐓粗→胎模鍛成形→沖孔→（脹孔）→整形→輾環(huán)。該工藝過程一般采用自由鍛設備制坯，自由鍛設備造價低、制坯工裝和胎模結構簡單，加工制造方便，生產(chǎn)準備周期短。但是，其缺點是生產(chǎn)效率低，工人勞動強度大，對工人技術熟練程度要求高。并且，預制毛坯過程中，內(nèi)孔尺寸較大需要沖孔后脹孔，這種制坯方式時間長，制坯過程中毛坯溫度降低很快，達不到輾環(huán)工序所需的始鍛溫度，只有將預制毛坯重新加熱一火次，才能保證輾環(huán)工序的溫度要求。

為了消除普通制坯工藝的諸多不利因素，根據(jù)我公司現(xiàn)有設備條件，經(jīng)過工藝過程分析和研究決定采用摩擦壓力機設備擠壓制坯，工藝流程為下料→加熱→鐓粗、擠壓（1600t摩擦壓力機）→沖孔、整形（315t壓力機）→輾環(huán)（800mm徑向輾環(huán)機）。這種制坯方法的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，勞動條件好，工藝穩(wěn)定，操作簡單，且易于實現(xiàn)機械化和自動化。通過比較以上兩種工藝方法，采用摩擦壓力機擠壓制坯工藝方式生產(chǎn)該產(chǎn)品是比較可行的。

預制毛坯尺寸的確定

從環(huán)件生產(chǎn)的工藝流程可以看出，制坯是關鍵，預制毛坯決定了體積的初始分配，輾環(huán)的變形程度和輾環(huán)過程中金屬的流動規(guī)律，以至于影響到是否能生產(chǎn)出質量穩(wěn)定的合格產(chǎn)品。因此，輾環(huán)件產(chǎn)品生產(chǎn)的關鍵是預制毛坯尺寸的確定。

環(huán)件預制毛坯的依據(jù)是根據(jù)輾環(huán)件鍛件圖和環(huán)件輾環(huán)時金屬流動規(guī)律，根據(jù)環(huán)件輾環(huán)過程中體積不變和軸向金屬體積流動量的數(shù)值，確定預制毛坯的形狀尺寸以及輾環(huán)變形程度。為了便于分析，我們可以將圖1的輾環(huán)件自上而下依據(jù)外徑尺寸的不同劃分為3個矩形截面環(huán)件，分別為φ416mm×21mm、φ386mm×71mm、φ376mm×64mm。這樣圖1的環(huán)件就可以看成是3個環(huán)件的疊加。

⑴高度尺寸的確定。該類環(huán)件產(chǎn)品外形較為復雜，質量要求相對較高，采用半封閉孔形徑向輾環(huán)完全可以滿足產(chǎn)品精度及質量要求，由于徑向輾環(huán)過程中采用小壓下量輾壓，因此預制毛坯總高度等于環(huán)件總高度，預制毛坯每個臺階的高度也相應地等于環(huán)件相應臺階的高度。

⑵內(nèi)徑尺寸的確定。在選擇預制毛坯內(nèi)徑尺寸之前，首先要確定輾擴比k（k=d/d0，其中，d為環(huán)件內(nèi)徑尺寸，d0為預制毛坯內(nèi)徑尺寸），一般情況下取k=1.5～3。k分別取最小值1.5、中間值2.2、最大值3，如果取值k=1.5，則d0=223.3mm；如果取值k=2.2，則d0=152.3mm；如果取值k=3，則d0=111.7mm。

在實際生產(chǎn)中，如果k取的值較小，預制毛坯內(nèi)孔尺寸d0就會大，因為預制毛坯的重量基本不變，下料重量只是隨沖孔尺寸不同稍有差異，但是，由于沖孔直徑增加，預制毛坯的外徑也要隨著增加，這樣在制坯過程中坯料鐓粗的直徑就要加大，坯料鐓粗后高度就要減小，也就是說，先要將坯料鐓粗成直徑很大，厚度很薄的“圓餅”，這樣坯料在擠壓時金屬在模具里向上流動距離長、阻力大，成形較為困難。因此，預制毛坯內(nèi)孔尺寸的確定就很關鍵，綜合考慮選取k=3，毛坯內(nèi)徑平均為φ111.7mm，因為內(nèi)孔沖出來是有斜度的，所以內(nèi)徑最小值取φ110mm。

⑶外徑尺寸的確定。在預制毛坯的高度和內(nèi)徑確定以后，按照體積不變原則，就可以計算出預制毛坯各臺階相應的外徑尺寸，設計出預制毛坯初步的設計圖，如圖2所示。

預制毛坯初步設計圖確定以后，只能作為設計預制毛坯模具的初步依據(jù)，因為首先在輾壓過程中，存在大環(huán)向小環(huán)的軸向金屬流動的變形規(guī)律；其次，制坯過程中預制毛坯外徑存在模鍛斜度，內(nèi)孔沖頭也存在斜度的問題；最后，φ386mm×71mm、φ376mm×64mm兩個臺階外徑尺寸相差很小，為了簡化預制毛坯外形，方便設計和制造模具，完全可以將這兩個臺階利用模鍛斜度合并為一個來考慮。

考慮到以上三個因素，必須對預制毛坯初步設計尺寸進行初步的修正和改進。由于產(chǎn)品的結構、尺寸比例等具有差異，因此，經(jīng)過改進后在試制過程中預制毛坯尺寸還要進一步地根據(jù)實際情況進行局部修正，直到能輾出合格產(chǎn)品為止，這樣預制毛坯的尺寸才能完全確定下來，最終改進后的預制毛坯圖如圖3所示。

圖3 預制毛坯改進圖

模具設計

制坯模具設計

制坯模型腔按照預制毛坯改進尺寸加放收縮量確定，模具結構如圖4所示。下模型腔深度一般設計時加深2～3mm，原因是毛坯高度尺寸會由于預制毛坯沖孔時受力而減小。

圖4 制坯模具結構圖

圖5 輾壓輪及芯軸簡圖

由于工作時沖頭深埋在紅熱金屬里面，環(huán)境惡劣，受力很大，容易受力變形及磨損較快，上模維修頻率較高，如果沖頭凸出部分損壞或尺寸超差嚴重，上模就要整體報廢，這樣造成模具成本很高，所以將上模設計成組合結構，沖頭鑲嵌在上模里，便于維修和更換，大大降低了模具成本。為使預制毛坯能快速、順利地從下模中脫出，在下模底部設計一頂桿，以幫助預制毛坯快速脫模。上模用螺栓安裝在上模座上，下模用壓板及螺栓安裝固定在下模座里。

輾壓模具設計

該環(huán)件采用半封閉輾壓方式，設備為D51型立式輾環(huán)機，輾壓模及芯軸設計如圖5所示。輾壓模型腔寬度尺寸按照鍛件圖加放收縮率確定；由于輾壓完成時，輾壓輪外圓和芯軸之間是不能接觸的，所以型腔深度尺寸在加放收縮率以后要減去2mm，型槽壁傾角取值為1°。

圖6 導向套輾環(huán)件

芯軸直徑尺寸按沖孔最小尺寸減10mm確定。由于該輾環(huán)件高度較大，輾擴時芯軸受到很大的交變扭矩載荷力的作用，很容易斷裂，因此芯軸的頂端必須加一個支撐，以改善其受力狀況，延長芯軸使用壽命。其實，芯軸的頂端即使增加了支撐，在工作中也會有變形，這樣輾壓出來的環(huán)件內(nèi)徑尺寸會出現(xiàn)“大、小頭”的情況，即法蘭大的一端內(nèi)徑大，法蘭小的一端內(nèi)徑小，因此設計芯軸時，在工作長度方向上也將芯軸的尺寸設計成相應一端的大小，以補償輾環(huán)過程中芯軸的變形量。

導向輥和信號輥型槽尺寸按照熱鍛件圖尺寸確定，深度和寬度方向上尺寸和熱鍛件外部臺階尺寸一致即可。

鍛造過程的要點

下料尺寸要嚴格控制公差，下料質量太小會導致鍛件輾不出來，外圓缺肉，鍛件不能完全成形；下料質量太大，在輾環(huán)過程中，鍛件兩端會出現(xiàn)太大毛刺，也會影響鍛件的正常輾壓。加熱過程中一定要把材料均勻熱透，同時料溫要稍高一些，接近始鍛溫度的上限，否則，由于坯料經(jīng)過制坯后輾環(huán)時溫度太低會導致鍛件兩端面凹坑缺陷嚴重，影響產(chǎn)品質量。制坯的過程要快速，盡量縮短制坯時間，保證輾環(huán)的時候鍛件能有較高的溫度，對輾環(huán)成形有利；輾環(huán)過程中，輾壓輪和芯軸要及時水冷，保持輾壓輪型槽表面有足夠的硬度，減少型腔磨損，提高鍛件表面質量。

制坯時，先將坯料在模座一側鐓粗至φ208mm左右（比制坯模型腔最小內(nèi)徑稍小），表面氧化皮要清除干凈，這樣坯料在模具中定位準確。擠壓成形過程中，坯料中心要撒上點碳粉，防止毛坯粘在沖頭上脫不下來。毛坯出模后，應迅速移到?jīng)_孔壓力機工作臺上，同時翻轉180°，然后沖孔和平整上下端面。

結束語

導套輾環(huán)件按照以上的工藝過程經(jīng)過試制，輾擴出符合鍛件圖要求的產(chǎn)品（圖6），經(jīng)過進一步的批量生產(chǎn)，我們總結出多臺階、高頸、薄壁法蘭輾環(huán)件的批量生產(chǎn)過程應該注意以下3點：

⑴合理的工藝過程制定是前提。采用摩擦壓力機擠壓制坯比自由鍛制坯效率高、質量好、精度高，是該類產(chǎn)品的批量生產(chǎn)的首選。

⑵預制毛坯的設計是關鍵。只有預制毛坯體積分配合理，才能保證輾擴工藝穩(wěn)定，并能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

⑶制坯模、輾壓輪設計合理、試制及加強生產(chǎn)過程控制是產(chǎn)品質量的保證。