制動(dòng)錐鼓鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)

文／江榮忠，武敦南·航空工業(yè)江西景航航空鍛鑄有限公司

崔俊華·南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院

制動(dòng)錐鼓鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)

文／江榮忠，武敦南·航空工業(yè)江西景航航空鍛鑄有限公司

崔俊華·南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院

以電梯防墜安全器用的制動(dòng)錐鼓（以下簡(jiǎn)稱錐鼓）成形工藝開(kāi)發(fā)為對(duì)象，分析了該型號(hào)錐鼓成形及工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)鍛模結(jié)構(gòu)、改善鍛件成形、提高模具壽命、降低模具制造成本。利用金屬塑性成形仿真軟件DEFORM-3D，對(duì)工藝進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果有效地驗(yàn)證了工藝方案。基于模擬驗(yàn)證的工藝和設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行生產(chǎn)試制，經(jīng)檢測(cè)，錐鼓鍛件產(chǎn)品的尺寸及性能完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科技的進(jìn)步，電梯隨著高層建筑的增多已經(jīng)越來(lái)越普遍存在于我們的生活當(dāng)中，電梯的安全問(wèn)題越發(fā)的引起了人們的重視。防墜安全器（圖1）是電梯升降機(jī)配備的最重要的安全保護(hù)裝置，是在電梯超速下行或墜落時(shí)的最后一道安全保護(hù)措施。在電梯所有安全裝置失效的情況下，電梯呈自由落體狀態(tài)，當(dāng)下降速度達(dá)到正常運(yùn)行速度的1.6倍時(shí)，安全器動(dòng)作，錐鼓鎖死，靠輸出齒輪與齒條制動(dòng)，同時(shí)控制電路斷電。作為電梯的保安關(guān)鍵件，錐鼓原先為鑄件，曾在電梯墜落過(guò)程中破裂而失效過(guò)，現(xiàn)在逐步改為鍛件。

錐鼓的鍛造工藝性分析

錐鼓為精密模鍛件，尺寸精度較高、機(jī)械加工余量少。錐鼓屬具有深孔薄壁特征、形狀較復(fù)雜的肋腹鍛件。在主軸方向上截面形狀變化劇烈，因此，鍛造難度較大。鍛造過(guò)程中容易受到不均勻熱收縮變形、氧化皮影響，精化部位的非加工尺寸精度更難保證。

圖1 某型號(hào)防墜安全器構(gòu)造簡(jiǎn)圖

圖2 鍛件尺寸簡(jiǎn)圖及三維造型

該鍛件分模面嚴(yán)格說(shuō)是沖頭曲面，出模困難，鍛件容易粘在沖頭上。鍛造精度要求高，只能一火成形，沒(méi)有二火鍛造可能，因?yàn)殄F鼓內(nèi)壁的四個(gè)縱向鍵在二火很難重合，鍛造充填難度大。

模具設(shè)計(jì)及工藝制定

設(shè)備噸位的確定

螺旋壓力機(jī)的鍛造成形力計(jì)算可按下式計(jì)算：

式中：

α-與模鍛方式有關(guān)的系數(shù)，開(kāi)式模鍛該值為4；

F-螺旋壓力機(jī)成形力(N)；

S鍛-包括毛邊在內(nèi)的鍛件在分模面上的投影面積(mm2)；

他很少接觸女孩子，青蘿算得上是他相對(duì)接觸最多的一個(gè)，但對(duì)方那大大咧咧的脾性，甚至比族中許多男孩還要強(qiáng)悍。

V鍛-鍛件體積（mm3）；

σs-鍛件在終鍛溫度下的屈服極限(MPa)，通常可用同溫度下的強(qiáng)度極限σb代替。

上式適用于打擊一次成形所需的設(shè)備噸位，若采用2～3次打擊成形，則應(yīng)按計(jì)算值減少1/2?？紤]在摩擦壓力機(jī)上只通過(guò)2次打擊成形，σs按終鍛溫度900℃取值55MPa；S鍛=57415mm2；V鍛≈1421000 mm3；把參數(shù)代入公式，經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)≈24860kN。故可選用2500t摩擦壓力機(jī)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

⑴終鍛型腔。錐鼓為軸對(duì)稱變形的短軸類回轉(zhuǎn)體鍛件，可采用閉式溢毛邊模鍛鍛造。通過(guò)溢出少量毛邊，可以提高薄壁上口的成形條件，鍛件容易充滿。只設(shè)計(jì)終鍛型腔，直接鍛造成形。

⑵增加定位凸臺(tái)。鍛件為回轉(zhuǎn)體，在鍛件結(jié)構(gòu)上缺少在模具型腔定位的結(jié)構(gòu)，容易在鍛造過(guò)程中在下模內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在錐鼓內(nèi)壁產(chǎn)生折疊。在分模面橋部位置設(shè)計(jì)定位凸臺(tái)耳朵（見(jiàn)圖3紅色標(biāo)示位置）。后續(xù)在切邊工序，將增加的凸臺(tái)切除。

圖3 增加定位凸臺(tái)耳朵

⑶增加鑲塊結(jié)構(gòu)。錐鼓的內(nèi)壁為非加工面，產(chǎn)品質(zhì)量要求高。而模具的沖頭部位，是材料流動(dòng)的主要區(qū)域。因金屬變形流動(dòng)，在模具表面產(chǎn)生激烈的摩擦，容易引起模具失效，造成鍛件的形狀、尺寸和表面質(zhì)量不符合要求。將模具的沖頭用H13材料單獨(dú)做成鑲塊（見(jiàn)圖4）。H13材料在較高溫度時(shí)具有較好的強(qiáng)度和紅硬性，高的耐磨性等特點(diǎn)，能保證模具沖頭壽命。在模具出現(xiàn)失效時(shí)，更換方便，提高生產(chǎn)效率。而且將上模的沖頭做成鑲塊，能提高模具的加工效率，減少模具材料損耗。

圖4 錐鼓模具簡(jiǎn)圖

⑷增加桿部摩擦力。錐鼓壁厚較薄，內(nèi)壁斜度為0.8°，生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)熱收縮而產(chǎn)生鍛件粘沖頭、出模困難等情況。造成生產(chǎn)中斷和模具提前失效等后果?？紤]設(shè)備有頂出機(jī)構(gòu)，可增加鍛件在下模型腔的摩擦力，讓鍛件粘在下模，由頂桿將鍛件頂出，即可解決粘上模的情況。將錐鼓下端的桿部的拔模斜度設(shè)計(jì)成-1°。在實(shí)際生產(chǎn)中，桿部的接觸面過(guò)小，阻力達(dá)不到預(yù)期效果。因此將錐鼓桿部恢復(fù)圖紙要求，內(nèi)壁外側(cè)10mm位置的拔模斜度設(shè)計(jì)成-1°（圖5）。

圖5 錐鼓下模優(yōu)化部位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

工藝制定

綜上分析結(jié)果，鍛造工藝方案：下料→中頻感應(yīng)加熱→自由鍛鐓粗→模鍛→熱切邊→拋丸→熱處理→拋丸→檢測(cè)（硬度、力學(xué)性能、晶粒度、探傷等）。

模擬分析

利用金屬塑性成形仿真軟件DEFORM-3D，對(duì)工藝和模具進(jìn)行仿真分析。模擬初始條件設(shè)置如下：錐鼓材料為4140；坯料規(guī)格為φ110mm×175mm；坯料溫度為1180℃；設(shè)備為2500t摩擦壓力機(jī)。坯料為塑性體，模具為剛性體；摩擦系數(shù)為0.3；坯料與空氣換熱系數(shù)取為0.02N/(s·mm·℃)，模具與坯料之間的熱傳遞系數(shù)取為11N/(s·mm·℃)，模具與空氣換熱忽略不計(jì)。

依次按工藝分兩階段進(jìn)行模擬：一是自由鍛鐓粗至H=56mm；二是模鍛成形。

鐓粗階段成形簡(jiǎn)單，現(xiàn)主要分析鍛造成形過(guò)程。由圖6可知，鍛造最大的成形載荷為2440t，2500t摩擦壓力機(jī)能滿足生產(chǎn)需要。仿真結(jié)果表明，采用現(xiàn)行的鍛造工藝方案和模具，模擬效果好，鍛件的模擬結(jié)果滿足要求。

分析圖6溫度分布可知，變形過(guò)程中，鍛模首先與坯料接觸，在鍛打初始階段，這部分坯料由于與模具接觸，熱損耗較大。鍛打結(jié)束后，錐鼓由正擠壓桿部和反擠壓錐鼓內(nèi)壁等方式填充模膛。變形熱和摩擦產(chǎn)生的熱量較大補(bǔ)償了溫度損失，因此溫度下降較少。鍛打完成后，鍛件整體溫度仍然較高，毛邊溫度在900℃以上，能夠滿足后續(xù)熱切邊工藝對(duì)鍛件溫度的要求。

分析圖6鍛造載荷曲線可知，曲線可分為緩慢上升和急劇上升兩個(gè)階段，成形開(kāi)始后鍛造載荷緩慢上升，直到接近成形終了時(shí)第二錘的載荷急劇上升，鍛打結(jié)束時(shí)最大載荷達(dá)到2440t。第一錘模擬結(jié)束時(shí)，坯料主要以擠壓方式充填模具型腔，在鍛造后期，變形金屬外流至毛邊橋部時(shí)會(huì)受到強(qiáng)烈的阻礙作用，載荷隨上模行程增大而急劇增大。

圖6 鍛造載荷及溫度曲線

圖7為錐鼓鍛造過(guò)程中坯料速度場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，坯料主要以擠壓方式成形，材料充填比較容易，在鍛造后期橋部附近的外流金屬受到強(qiáng)烈阻礙作用，轉(zhuǎn)而流向未充滿的錐鼓內(nèi)壁上口的圓角部位。整個(gè)階段鍛件填充飽滿，質(zhì)量良好。

工藝試制

圖7 鍛造過(guò)程中的速度場(chǎng)

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，坯料經(jīng)過(guò)自由鍛鐓粗后，在終鍛模型腔內(nèi)經(jīng)過(guò)2錘鍛打成形。模具投入使用后，該鍛件已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)驗(yàn)證，尺寸滿足圖紙要求，質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率達(dá)到99%以上，材料利用率達(dá)到88.5%。圖8所示為切邊工序結(jié)束后的產(chǎn)品實(shí)物和鍛件的晶粒度照片。

圖8 切邊后的產(chǎn)品實(shí)物和晶粒度照片

結(jié)論

⑴采用自由鍛鐓粗和模鍛相結(jié)合的工藝可一火成形精度要求高的錐鼓鍛件。

⑵采用數(shù)值模擬方法可以有效輔助鍛造工藝的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

⑶模具易損部位采用鑲塊結(jié)構(gòu)，可提高模具壽命，保證生產(chǎn)效率。

⑷采用負(fù)角設(shè)計(jì)拔模斜度，可防止鍛件粘模，提高模具壽命，保證生產(chǎn)效率。