36MN壓機(jī)扁擠壓筒組件制造關(guān)鍵技術(shù)研究

李 煒，朱殿瑞

（太原重工軋鋼設(shè)備分公司，山西 太原 030024）

0 引言

太重軋鋼分公司研制的36MN扁擠壓筒組件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度高，加工部位形狀特殊，一般工藝方法無(wú)法滿足加工要求。其組成包括：擠壓筒內(nèi)襯、擠壓筒外套、扁擠壓墊、扁清理墊及扁擠壓桿等零件。主要適用于鎂合金特殊形狀型材的正向擠壓成形[1-2]。

1 36MN扁擠壓筒主要參數(shù)及加工難點(diǎn)

扁擠壓筒外觀如圖1所示，其主要參數(shù)為：總擠壓力36MN；扁孔尺寸160mm×450mm×900mm；組件外形尺寸?1350mm×900mm；扁孔內(nèi)腔粗糙度Ra1.6；熱處理硬度 47-50HRC；σb≧1300～1400N/mm2。

扁擠壓筒內(nèi)襯材料為耐熱合金工具鋼H13，外形尺寸?700mm×900mm，扁孔尺寸160mm×450mm×900mm，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 扁擠壓筒外觀示意圖

圖2 擠壓筒內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

內(nèi)襯加工的核心難點(diǎn)在于：①三段圓弧的加工及扁孔平面開(kāi)檔的加工；②形狀決定淬火后內(nèi)應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋，要保證零件的使用壽命；③內(nèi)孔精度高，需要在淬火及熱裝后精加工，但淬火后硬度達(dá)47-50HRC，如何保證精度及光潔度；④熱裝后組件規(guī)格為?1350mm×900mm，重量8000kg，需要選擇合適的機(jī)床。

2 扁擠壓筒的加工工藝流程與試制

2.1 加工工藝流程

扁擠壓筒組件的工藝流程可大致分為：1-粗加工；2-探傷；3-晶粒度檢查；4-調(diào)質(zhì)；5-半精加工；6-淬火；7-半精加工；8-消除應(yīng)力；9-半精加工；10-熱裝；11-精加工。

關(guān)鍵工序是熱裝后精加工中內(nèi)孔的拋光，需要制作一整套拋光工具，難度很大[3-4]。

2.2 扁擠壓筒的試制缺陷分析與改進(jìn)措施

2.2.1 試制缺陷分析

在首個(gè)扁擠壓筒研制的過(guò)程中，發(fā)生了扁擠壓筒內(nèi)襯在精加工過(guò)程使用線切割進(jìn)行內(nèi)孔加工時(shí)產(chǎn)生整體開(kāi)裂的事故。裂紋成Y字形，整體裂透。經(jīng)過(guò)多方專家會(huì)審，初步判斷是由于內(nèi)襯壁厚不均勻，導(dǎo)致熱處理、機(jī)加工等應(yīng)力疊加，在線切割過(guò)程中應(yīng)力平衡被打破，在應(yīng)力集中處即切口處突破強(qiáng)度極限，發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象[5]。

2.2.2 改進(jìn)措施

為了保證扁擠壓筒組件的成功研制，在吸取了首個(gè)擠壓筒內(nèi)襯失敗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)討論，對(duì)冶煉、鍛造、熱處理及機(jī)加工提出了要求，并及時(shí)對(duì)圖紙及技術(shù)要求進(jìn)行了更改，其處理措施如下[6]：

（1）為盡量避免線切割工序，設(shè)計(jì)更改扁孔，由三段圓弧對(duì)接結(jié)構(gòu)變更為完整半圓弧結(jié)構(gòu)。

（2）冶煉時(shí)要采用精煉爐及氬幕保護(hù)，盡量降低雜質(zhì)及氣體含量，含碳量控制在0.32%～0.39%范圍內(nèi)。

（3）鍛造采用中心鍛實(shí)法及V型砧鍛造，保證芯部鍛造質(zhì)量。鍛造過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制終鍛溫度。鍛后熱處理工藝要求球化處理，細(xì)化晶粒。

（4）調(diào)質(zhì)前除探傷檢查外還需進(jìn)行晶粒度檢查，檢查部位應(yīng)盡量靠近中心，外圓也要取兩點(diǎn)。如達(dá)不到五級(jí)，調(diào)質(zhì)前要先進(jìn)行正火細(xì)化晶粒。

（5）調(diào)質(zhì)前扁孔尺寸加工成300mm×140mm扁橢圓孔，淬火前加工單邊留4mm余量，為了降低熱處理應(yīng)力，硬度由原來(lái)的HRC47-50變更為HRC40-46，淬火后進(jìn)行消除應(yīng)力，溫度要求比回火溫度低50℃。在各熱處理過(guò)程中工藝人員要跟蹤控制中冷溫度不能太低。淬火后的回火次數(shù)由熱處理確認(rèn)是否需要增加[7]。

（6）機(jī)加工，特別是淬火后加工應(yīng)盡量避免線切割加工。

（7）在內(nèi)襯壁厚處鉆減應(yīng)力工藝孔，如圖3所示。用以均勻厚度，減小熱處理過(guò)程中的受熱及散熱不均勻引起的應(yīng)力集中。

圖3為兩種減應(yīng)力孔的方案，圖3a為圓弧式長(zhǎng)孔，3b為圓形通孔。經(jīng)有限元計(jì)算強(qiáng)度，并通過(guò)討論計(jì)算結(jié)果，圖3a無(wú)法滿足擠壓筒使用時(shí)的強(qiáng)度要求，所以決定采用圖3b方案。

圖3 減應(yīng)力工藝孔

3 扁擠壓筒內(nèi)孔拋光專用工藝裝備研制

扁擠壓筒的加工成功與否關(guān)鍵取決于工藝裝備，針對(duì)工藝裝備制作難度大這一問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)有車間的加工條件，考慮了兩種內(nèi)孔拋光方法。

3.1 增加補(bǔ)塊法

增加補(bǔ)塊將扁孔兩端半圓弧拼成一個(gè)完整圓，進(jìn)行絎磨，并制作專用內(nèi)孔磨削工具磨削內(nèi)孔平面。制作的補(bǔ)芯需要與內(nèi)襯的硬度相近，需要表面淬火，否則容易使內(nèi)孔半圓弧不圓（見(jiàn)圖4）。補(bǔ)芯與內(nèi)孔平面配合，并制作鏜模，借助減應(yīng)力孔將補(bǔ)芯固定在內(nèi)孔中，防止竄動(dòng)。同時(shí)鏜模還可以增加刀桿導(dǎo)向防震功能。此方法的優(yōu)點(diǎn)是，在保證絎磨加工條件的同時(shí)還可以除去刀具和工件切削時(shí)產(chǎn)生的撞擊，并減小由于刀桿過(guò)長(zhǎng)下?lián)弦鸬恼`差[8]。

圖4 增加補(bǔ)芯進(jìn)行內(nèi)孔絎磨

內(nèi)孔平面磨削工具考慮了三種形式，如圖5、6、7所示。

圖5 內(nèi)孔平面磨削方案一

圖6 內(nèi)孔平面磨削方案二

圖7 內(nèi)孔平面磨削方案三

（1）將碗狀砂輪安裝在特種電機(jī)上，并用刀桿連接電機(jī)和牛頭刨床或鏜床，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)碗狀砂輪及機(jī)床的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)磨削平面。由于扁孔開(kāi)檔只有160mm，碗狀砂輪厚度約50mm～60mm，剩余空間僅 余 100mm，因此，此方法要求電機(jī)厚度極薄，特種電機(jī)訂制還需要投入時(shí)間及資金。

（2）使用通用電機(jī)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將扭矩傳入扁孔內(nèi)部，來(lái)帶動(dòng)碗狀砂輪進(jìn)行磨削加工。由于磨削加工要求轉(zhuǎn)速很高，因此需使用高速齒輪，高速齒輪的制作廠家還需要考察。

（3）使用高速皮帶輪將電機(jī)扭矩傳導(dǎo)至碗狀砂輪處，帶動(dòng)砂輪進(jìn)行內(nèi)孔磨削。由于磨削時(shí)皮帶輪受力大，皮帶輪的受力與其寬度成正比，經(jīng)估算，寬度將超過(guò)內(nèi)孔開(kāi)檔尺寸160mm，因此很難滿足加工要求。

采用這種方案加工扁擠壓筒內(nèi)孔最關(guān)鍵的是扁孔平面與圓弧精確對(duì)接。最困難的是扁孔開(kāi)檔尺寸太小，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，相當(dāng)于長(zhǎng)懸臂加工，無(wú)法避免的由于自重產(chǎn)生下?lián)?，影響精度。同時(shí)內(nèi)襯材料很硬，加工時(shí)容易產(chǎn)生震動(dòng)，這樣內(nèi)孔的粗糙度就會(huì)受到影響，需要制作自動(dòng)導(dǎo)向減震機(jī)構(gòu)來(lái)減小振動(dòng)帶來(lái)的不利影響。同時(shí)在進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)磨頭轉(zhuǎn)速高時(shí)容易燒傷加工表面，因此還需要制作磨削冷卻系統(tǒng)來(lái)降溫。

3.2 采用內(nèi)孔拋光工具法

制作適合于機(jī)床裝卡使用的內(nèi)孔拋光工具，安裝在數(shù)控鏜床上進(jìn)行拋光，如圖8所示。

圖8 拋光內(nèi)孔

千葉輪拋光時(shí)，線速度要求2000m/min，千葉輪直徑應(yīng)當(dāng)小于等于?160mm，考慮在數(shù)控拋光時(shí)千葉輪走到R80圓弧處時(shí)，直徑越大則接觸面積越大，所需電機(jī)功率越大，容易造成電機(jī)卡死，因此選用千葉輪直徑?120mm。

根據(jù)公式：

V=πdn

可得：n=V/πd=2000/0.12π=5305 轉(zhuǎn)/分

經(jīng)過(guò)調(diào)研，選取上海駿馬氣動(dòng)工具有限公司的SX150氣動(dòng)砂輪機(jī)。此產(chǎn)品用于修焊縫、清理鑄件毛刺及粗磨削加工，金屬構(gòu)件表面的修正等方面也有廣泛應(yīng)用。工作時(shí)使用的是角磨機(jī)砂輪片。

此種馬達(dá)具有重量輕、轉(zhuǎn)速高、功率高的特點(diǎn)，十分適合本次拋光加工，能將自重引起的刀桿下?lián)犀F(xiàn)象減輕到最小，又可以提供足夠的功率滿足拋光要求。但由于原產(chǎn)品用途不同，剛性較差，只適用于手工操作，且不能保證精度。而且工件硬度高，使用砂輪片長(zhǎng)時(shí)間磨削容易造成表面燒傷，并且砂輪磨損量大，對(duì)精度和表面質(zhì)量的提高會(huì)起到反作用。因此，必須進(jìn)行改裝。

為了提高剛性，保證加工精度，我們將氣動(dòng)馬達(dá)安裝到空心刀桿中，刀桿尾端做成適合機(jī)卡的錐柄，這樣就可以安裝到鏜床上使用。前端保護(hù)罩的功能主要是防止砂輪片撞擊工件后碎裂，飛濺傷人，但此次使用的是千葉輪，不存在砂輪炸裂的問(wèn)題，因此將保護(hù)罩拆掉，安裝千葉輪。千葉輪拋光時(shí)的摩擦力較砂輪磨削時(shí)的摩擦力小，因此馬達(dá)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)會(huì)提高，滿足拋光條件。拋光深度可根據(jù)實(shí)際零件的深度制作不同長(zhǎng)度的刀桿（見(jiàn)圖9）。千葉輪粒度60，進(jìn)行粗拋，然后使用粒度200精拋[9]。

圖9 氣動(dòng)拋光工具

3.3 千葉輪拋光效果試驗(yàn)

考慮到千葉輪拋光不容易改變?cè)純?nèi)孔形狀，將切削刀紋的波峰和波谷填平。出于這種考慮，在實(shí)際加工之前，我們?cè)O(shè)計(jì)了拋光試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)實(shí)際的拋光效果。

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)用試塊采用與擠壓筒內(nèi)襯硬度基本接近的材料（見(jiàn)圖10），伸長(zhǎng)鏜桿，用插補(bǔ)刀盤(pán)側(cè)面銑平面，其目的是模擬實(shí)際加工時(shí)擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)孔的表面質(zhì)量。并在刨床上安裝電機(jī)，帶動(dòng)千葉輪旋轉(zhuǎn)，然后進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)試塊表面進(jìn)行拋光處理。

圖10 試塊硬度分布圖（HRC）

（2）試驗(yàn)條件。進(jìn)刀深度5mm；切削深度2mm；轉(zhuǎn)速280～290轉(zhuǎn)/分；鏜桿伸出長(zhǎng)度700mm；刀盤(pán)直徑160mm。切削后表面平面度0.05mm以下，中間接刀處平面度0.07mm，刀紋深度0.15mm。

（3）試驗(yàn)結(jié)果及分析。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量和目測(cè)情況來(lái)分析，千葉輪雖然能將尖銳的波峰拋掉，目測(cè)光潔度較好，但經(jīng)千分表打表測(cè)量，其波峰波谷之差最大能達(dá)到0.1mm。由此可得，千葉輪拋光雖然能將鋒利的波峰拋掉，提高表面質(zhì)量，但剛性稍差。當(dāng)波峰稍鈍的時(shí)候，就容易將波峰和波谷一起拋光，形成一種光滑過(guò)渡的波浪形曲線，也就是說(shuō)，千葉輪拋光不具備修正平面形狀的能力。因此在拋光之前應(yīng)該盡量用機(jī)加工來(lái)保證內(nèi)孔的直線度、平面度，并盡量提高拋光前內(nèi)孔的粗糙度。具體方法是先用玉米銑刀去掉大部分余量后，用單刀精光圓弧面，并用插補(bǔ)刀盤(pán)精光內(nèi)孔平面，要求高轉(zhuǎn)速，小切削深度，慢走刀，目的是盡量減小換刀片的頻率，減少接刀，保證平面度，為千葉輪拋光打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

經(jīng)過(guò)討論，決定先使用第二套方案氣動(dòng)拋光工具對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行拋光。第一套方案作為后備方案，在第二套方案加工效果不理想時(shí)啟用。

4 結(jié)論

36MN擠壓機(jī)扁擠壓工具的設(shè)計(jì)制造成功極大地?cái)U(kuò)展了太重軋鋼公司的研發(fā)能力，使公司所有類型的臥式擠壓機(jī)在同類產(chǎn)品中具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

本次研制扁擠壓筒組件成功的關(guān)鍵在于：

（1）毛坯階段控制適當(dāng)?shù)暮剂?、改變鍛造方法、降低硬度?/p>

（2）淬火前增加減應(yīng)力孔；

（3）內(nèi)孔精加工采用插補(bǔ)刀盤(pán)銑削，并用加長(zhǎng)氣動(dòng)工具拋光。

以往千葉輪拋光法多用在車床拋光外圓、刨床拋光平面，而應(yīng)用于鏜床數(shù)控拋光不規(guī)則平面則是首次。為以后研制特殊形狀內(nèi)孔的擠壓筒組件奠定了基礎(chǔ)。

[1]馮秋紅，劉全坤，胡龍飛.基于多目標(biāo)優(yōu)化的扁擠壓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2006，（17）：1850-1853.

[2]盧有世，于明濤.異形鋁型材擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（2）：87-89.

[3]趙云路，薛榮敬，劉靜安.扁擠壓筒設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2005，（3）：87-94.

[4]徐盈輝，謝水生，張學(xué)軍.扁擠壓筒裝配應(yīng)力計(jì)算與受力分析[J].稀有金屬，2005，24（3）：182-187.

[5]謝水生，賀金宇，徐盈輝，等.扁擠壓筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及分析研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2005，8（4）：26-29.

[6]王 勻，許楨英，戴亞春，等.耦合作用下的扁擠壓筒有限元分析[J].鍛壓技術(shù)，2006，（4）：132-135.

[7]王 勇，王麗薇，石如磐，等.36MN鎂擠壓機(jī)扁擠壓筒設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2011，36（5）：163-165.

[8]石如磐，王麗薇.扁擠壓筒在36MN鎂擠壓機(jī)上的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2012，37（02）：122-123.

[9]楊甲申，韓炳濤，王 捷.扁擠壓筒應(yīng)力分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2001，36（6）：33-34.