新型切邊整形技術研發(fā)及應用

文/白孝俊，夏占雪，田興平·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

新型切邊整形技術研發(fā)及應用

文/白孝俊，夏占雪，田興平·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

白孝俊，技術部主管，主要負責新產品研發(fā)、工藝優(yōu)化及改進、現(xiàn)場質量服務、對外技術服務、工藝管理及科研課題等工作，主持或參與的項目獲實用新型專利3項、一拖科技進步獎3項、一拖青年科技創(chuàng)新獎6項，曾獲“國機集團青年崗位能手”、“一拖集團優(yōu)秀青年”等榮譽稱號。

切邊和沖孔工序是目前鍛造行業(yè)一種常用的工序，它是使用模鍛錘或熱模鍛壓力機等鍛壓設備，將鍛件在模具里鍛打成形后，再利用摩擦壓力機、液壓機或曲柄壓力機等設備上安裝的切邊模具去除飛邊及連皮，從而得到所需要的鍛件形狀。目前，我國鍛造生產線上采用的切邊及沖孔模具完成切邊及沖孔后，鍛件均存在不同程度的變形，對后續(xù)工序產生的影響較大，很大一部分鍛件還需要采用校正工序來解決變形問題，這樣不僅增加了設備及模具數(shù)量，而且大大增加了鍛件的制造成本，造成資源浪費。

本文的目的在于研發(fā)一種新型的切邊整形技術，鍛件在切邊及沖孔的同時防止鍛件產生較大的變形，而且模具制造性較好，工作過程穩(wěn)定，使用方便可靠。

制造工藝分析

鍛件在切邊及沖孔過程中會產生以下3種變形：

⑴切邊變形。切邊時，沖頭壓著鍛件向下運動，而凹模會給鍛件飛邊一個向上的力，這就導致鍛件中間出現(xiàn)凹陷。

⑵沖孔變形。沖孔時，沖頭壓著鍛件向下運動，而沖子會給鍛件內孔一個向上的力，這就導致鍛件中間出現(xiàn)凸起。

⑶復合變形。現(xiàn)在最常用的是切邊沖孔復合工藝，即鍛件切邊和沖孔同時進行，或者切邊后沖頭繼續(xù)向下走時就立即完成沖孔，這種情況鍛件受力更加復雜，也將導致鍛件呈現(xiàn)多種變形情況。

對于易變形的鍛件（如支座、鏈輪）或者質量要求高的鍛件（如曲軸、連桿），需要采用熱校正工序來校正變形，不僅大大增加了生產成本，且校正效果有限。為了解決這一問題，我們引入了預緊和校正的概念，有效地減小了因切邊及沖孔產生的變形。其具體過程為：鍛件在沖頭壓著向下走時，由頂出器持續(xù)施加一個向上的越來越大的預緊力，沖頭繼續(xù)向下走，鍛件完成切邊及沖孔工序。之后，沖頭繼續(xù)向下走，由于此時頂出器施加的力量已經非常大，依靠沖頭和頂出器的共同作用，對鍛件進行了熱校正。最后，沖頭升高，頂出器也頂著鍛件緩慢升高，將鍛件頂出模具，就完成了一個工作流程。

制造技術方案

根據(jù)以上分析，本技術方案設計如下：

切邊整形模具示意總圖，如圖1所示。該模具主要由沖頭、凹模、頂出器、模板、沖子、緊固座、底座、氮氣彈簧、保護罩、沖頭夾、字頭以及冷卻系統(tǒng)構成。其中，沖子及緊固座可以在鍛件不沖連皮的時候拆除，冷卻系統(tǒng)可以根據(jù)工廠的實際，采用水或壓縮空氣進行冷卻。

圖1 切邊整形模具示意總圖

沖頭部分設計及裝配示意圖，如圖2所示。沖頭通過螺釘緊固在沖頭夾上，沖頭夾通過楔子緊固在設備運動機構上，沖頭設計時依據(jù)鍛件上輪廓形狀制作，但應考慮留出側面間隙，防止壓壞鍛件，字頭根據(jù)顧客需要制作。

圖2 沖頭部分設計及裝配示意圖

凹模部分設計及裝配示意圖，如圖3所示。凹模通過螺釘及壓鐵緊固在模板上，模板通過螺釘緊固在底座上，由于凹模到工作臺面的高度一般是固定的，凹模是易損件，如果沒有模板，將會導致凹模的高度增加，從而導致生產成本增加。凹模的刃口按照鍛件外輪廓設計，可以根據(jù)需要放大或者縮小，從而控制切邊帶的寬窄。

圖3 凹模部分設計及裝配示意圖

頂出部分設計及裝配示意圖，如圖4所示。頂出器放置在氮氣彈簧上，氮氣彈簧通過螺釘緊固在底座上，中間孔輪廓和緊固座單邊有0.5～1mm的間隙，從而讓緊固座成為導向柱，避免頂出器在上下反復運動中錯動。如果鍛件的形狀要求頂出器不能轉動，還可以在緊固座和頂出器之間增加一個或多個導向鍵，頂出器依據(jù)鍛件下輪廓形狀制作，頂出器底部設計有冷卻水槽，接通循環(huán)冷卻水后可以減少向氮氣彈簧傳導熱量。

圖4 頂出部分設計及裝配示意圖

沖子部分設計及裝配示意圖，如圖5所示。沖子通過螺釘緊固在緊固座上，緊固座通過螺釘緊固在底座上。緊固座的主要作用是導向，防止頂出器錯動。由于沖子是易損件，如果沒有緊固座，將會導致沖子的高度增加，從而導致生產成本增加，沖子設計根據(jù)鍛件需要沖的孔形狀設計，如果鍛件不沖孔，可以不做沖子設計，這時候應考慮僅將緊固座用作導向機構，也可以取消緊固座在頂出器和底座之間另外設計導向結構。

冷卻系統(tǒng)設計及裝配示意圖，如圖6所示。冷卻系統(tǒng)可以根據(jù)工廠自己的情況采用循環(huán)水冷卻或者壓縮空氣冷卻。循環(huán)水冷卻可以直接在頂出器挖出水槽，水槽寬度不能超過氮氣彈簧頂柱直徑的1/3；使用壓縮空氣冷卻應保證每個氮氣彈簧至少有一個冷卻噴嘴，直接對氮氣彈簧頂柱進行吹風冷卻，但應注意的是冷卻系統(tǒng)排布應和氮氣彈簧排布一致，這樣才能對每個氮氣彈簧起到較好的冷卻效果。

圖5 沖子部分設計及裝配示意圖

圖6 冷卻系統(tǒng)設計及裝配示意圖

采用新工藝生產時，操作人員將熱鍛件放置在頂出器上，啟動設備，沖頭往下運動，接觸鍛件后，壓著鍛件及頂出器往下繼續(xù)運動，此時氮氣彈簧開始被壓縮，提供一個均勻增大的向上的力，使頂出器和沖頭緊緊抱住鍛件，當沖頭繼續(xù)向下運動過程中飛邊被凹模切掉，連皮被沖子切掉，沖頭繼續(xù)向下對鍛件變形進行進一步的校正，到達設計高度時，設備開始回程，帶動沖頭向上運動，頂出器在氮氣彈簧的推動下也開始向上運動，并最終將鍛件推出，操作人員取出飛邊、連皮及鍛件后，完成切邊及沖孔工序。

該切邊整形模具校正功能的實現(xiàn)關鍵是校正力大小以及力量的來源，校正力不合適將無法把變形控制到預期范圍或者壓壞鍛件，嚴重的會毀壞設備，通過查詢《鍛工手冊》或其他資料可以計算出鍛件所需校正力，可以使用蝶形彈簧或者氮氣彈簧來實現(xiàn)，校正力的來源需易控制且安全可靠。本工藝采用穩(wěn)定性更好的氮氣彈簧，但應注意，校正力加切邊力不能大于切邊設備噸位的80%。

技術方案的先進性及創(chuàng)新點

⑴在切邊沖孔時，由于氮氣彈簧提供的預緊力使鍛件不至于有較大的變形，在沖頭繼續(xù)往下運動中還可以進一步對變形進行校正，所以能有效解決鍛件的切邊變形，從而省去一道校正工序。對于光潔度要求不高的鍛件（如驅動輪、鏈軌節(jié)等），鍛件外輪廓可以省去機加工，大大降低生產成本。

⑵校正力的來源選用氮氣彈簧，該類型彈簧目前國內有銷售，可提供較大的校正力，便于安裝固定，性能穩(wěn)定，使用壽命較高，可以方便加載和卸掉壓力。

⑶切邊整形模具帶有導向，并可根據(jù)需要增設導向鍵防止頂出器轉動，避免出現(xiàn)頂出器或鍛件卡在凹模內的情況，工作性能穩(wěn)定，安全可靠。對于狀況不好的設備，可以在沖頭和底座上增設導柱導套，使沖頭能順利進入凹模，實用性較好。

⑷切邊整形模具通過簡單的結構外形變動，就可以應用于絕大多數(shù)的鍛件去除飛邊及連皮。拆掉沖子后，則可以用于部分只切邊不沖孔的鍛件，應用廣泛，且該模具中大多數(shù)部件為標準件，可以相互借用，制造成本低。

結束語

該新型切邊整形模具研發(fā)成功后，已在我廠38個產品上進行了推廣應用，每個產品省去了一道校正工序，不僅縮短了鍛件制造周期，還節(jié)約了一套校正模具、一臺設備及兩個操作人員，降低了生產成本。隨著數(shù)控技術的普及，機械加工對鍛件的加工余量和尺寸的一致性要求將越來越高，勢必要求鍛件在生產過程中要控制變形，而我們研發(fā)的新型技術完全可以控制鍛件切邊及沖孔變形，省去校正工序，使鍛件的生產成本降低約5%，具有非常大的經濟價值。同時，我們也看到該技術有不少需要持續(xù)改進的地方，比如改進連接結構可以提高換模速度、改進切邊刃口可以提高模具壽命、增加導軸導套可以控制沖頭和凹模間隙等，我們需要不斷改進該工藝以適應發(fā)展的需要。