柱頭鍛造模具研制

王海彬 趙 慧 張子明

（遼寧通用重型機(jī)械股份有限公司，遼寧 調(diào)兵山 112700）

1 問(wèn)題提出

液壓支架立柱千斤頂小柱頭常規(guī)的制造工藝：圓鋼料下料-粗加工-調(diào)質(zhì)處理-半精加工-精加工。小柱頭加工合格后再和小柱管、柱塞進(jìn)行焊接，焊接合格后進(jìn)行小柱的粗加工、精加工。按這個(gè)方法加工立柱小柱頭質(zhì)量有所保障，但由于小柱頭直徑尺寸不一樣，通常都有臺(tái)階，需要直徑相對(duì)粗的圓鋼才能在粗加工時(shí)有車削加工余量，浪費(fèi)原材料，生產(chǎn)加工周期長(zhǎng)，不利于高效率生產(chǎn)，更不利于生產(chǎn)質(zhì)量管理。小柱頭生產(chǎn)周期長(zhǎng)，使整個(gè)小柱就無(wú)法按工藝路線按時(shí)進(jìn)行加工，甚至制約液壓支架整個(gè)立柱生產(chǎn)周期，尤其是在液壓支架制造工期短時(shí)嚴(yán)重制約液壓支架生產(chǎn)制造周期，影響產(chǎn)品出廠時(shí)間，制約企業(yè)高速高質(zhì)量發(fā)展。在保證小柱頭質(zhì)量前提下，縮短立柱小柱頭的加工生產(chǎn)周期[1-5]是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。

2 小柱頭鍛造模具設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

在制造ZY5200-08/18 立柱時(shí)通過(guò)對(duì)立柱小柱頭的使用功能、外形尺寸、各種加工方法進(jìn)行分析，在保證不改變?cè)^材質(zhì)、強(qiáng)度下，采用模具鍛造方法代替小柱頭的粗加工，柱頭加工工藝采用下料-鍛造-調(diào)質(zhì)-精加工的方法。圖1 是小柱頭鍛造模具總圖，圖2 是小柱頭鍛造模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖1 小柱頭鍛造模具總圖

2.2 鍛造模具內(nèi)部尺寸

按照柱頭精加工圖紙繪制鍛造半成品圖紙，按照這個(gè)鍛造半成品圖紙尺寸進(jìn)行柱頭模具內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì)。按圖3 柱頭鍛造圖設(shè)計(jì)出的鍛造模具，鍛造出的柱頭基本尺寸就可以滿足調(diào)質(zhì)處理前的圖紙尺寸要求，柱頭鍛造后的半成品尺寸不能過(guò)大，否則對(duì)調(diào)質(zhì)硬度有影響，同時(shí)也浪費(fèi)原材料。根據(jù)鍛造設(shè)備加工能力和鍛造設(shè)備精度鍛造模具的內(nèi)部尺寸可以進(jìn)行優(yōu)化，再經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，最終確定鍛造模具內(nèi)部尺寸。在保證鍛造模具強(qiáng)度情況下，模具壁厚選擇相對(duì)小會(huì)給鍛造帶來(lái)便利，因?yàn)槟＞咧亓吭街貙?duì)鍛造越難，一般普通的鍛造不僅對(duì)鍛造工人技能有很高要求同時(shí)對(duì)鍛造工人勞動(dòng)體力要求很高，最終模具壁厚設(shè)計(jì)50 mm。

圖2 小柱頭鍛造模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 柱頭鍛造圖

2.3 出料口設(shè)計(jì)

考慮鍛錘的鍛造能力、鍛錘精度等因素，考慮易鍛性、鍛造后的柱頭容易出料，在保證鍛造尺寸滿足熱處理尺寸的情況下，在鍛造模具的下方設(shè)計(jì)開(kāi)出料口。該出料口一是彌補(bǔ)鍛錘噸位低帶來(lái)的鍛造能力低的問(wèn)題；二是易于鍛造出料、倒料；三是鍛造氣體排出口。鍛造出料口的設(shè)計(jì)大小和鍛造的圓弧過(guò)渡尺寸需要多次核對(duì)，多次試驗(yàn)才能得出合適的尺寸。最終確定出料口直徑95 mm，并且出料口是圓滑過(guò)渡。這樣既滿足鍛造要求，也滿足調(diào)質(zhì)處理前尺寸要求。

2.4 拔模斜度設(shè)計(jì)

由于鍛錘噸位低，需要選擇合適的拔模斜度才能順利把柱頭鍛造出來(lái)。如果選擇過(guò)大的拔模斜度是可以順利鍛造，但鍛造尺寸過(guò)大，加大鍛造模具的外形尺寸，同時(shí)也會(huì)增加鍛造難度，增加原材料和鍛造成本；如果選擇過(guò)小的拔模斜度可能會(huì)無(wú)法倒料。合適的拔模斜度需要根據(jù)設(shè)備精度能力、鍛造工件尺寸大小和實(shí)際鍛造經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇，最終確定拔模斜度為4.5°和2.5°。在每個(gè)直徑臺(tái)階尺寸處有圓角，避免鍛造應(yīng)力集中，造成鍛造柱頭開(kāi)裂，鍛造圓角設(shè)計(jì)為R5。

3 柱頭鍛造模具加工

柱頭鍛造模具材質(zhì)選擇模具鋼5CrMnMo，柱頭鍛造模具加工工序：下料-粗車?yán)锟?調(diào)質(zhì)處理-精加工里孔-表面淬火。粗車?yán)锟琢?～3 mm，確保模具調(diào)質(zhì)后硬度達(dá)標(biāo)。調(diào)質(zhì)硬度HB240-280，精加工時(shí)注意倒角圓角的加工，表面淬火HRC50-55。這樣加工的鍛造模具就可以保證鍛造的質(zhì)量和鍛造數(shù)量。當(dāng)然一個(gè)模具能鍛造多少件柱頭，還取決于鍛造設(shè)備噸位，還有操作者鍛造水平技能等因素。

4 柱頭鍛造

4.1 鍛錘噸位的確定

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：G 為模鍛錘噸位，kg；F 為鍛件水平投影面積，cm2。本工件近似圓柱，最大半徑190 mm，所以選擇2 t 的鍛錘。

4.2 柱頭試鍛

柱頭鍛造工序?yàn)椋簣A鋼料下料-圓鋼料加熱-一次鍛造-多次鍛造-鍛造成型。根據(jù)柱頭粗車圖和鍛造型腔尺寸計(jì)算柱頭毛坯料重量為40.2 kg，采用圓鋼料實(shí)驗(yàn)，圓鋼料材質(zhì)選為27SiMn。

柱頭鍛件毛坯料的確定，根據(jù)鍛件鐓粗時(shí)常用的高徑比公式：

式中：LP為毛坯長(zhǎng)度，mm；dP為毛坯直徑，mm。在實(shí)驗(yàn)調(diào)整料的時(shí)候需要根據(jù)鍛錘的噸位及鍛造經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇圓鋼料規(guī)格。因?yàn)殄懺炝慵畲笾睆绞?90 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算選取高徑比，核算出直徑160 mm、150 mm、140 mm 的圓鋼料都有可能鍛造出合格的鍛件，但還需經(jīng)過(guò)試鍛驗(yàn)證。

先采用圓鋼料Ф160 mm×257 mm 尺寸實(shí)驗(yàn)，料重約40.5 kg。發(fā)現(xiàn)鍛造不是很理想，料不能完全充滿鍛造型腔。再采用圓鋼料Ф150 mm×297 mm尺寸實(shí)驗(yàn)，料重約40.5 kg。這個(gè)比直徑160 mm 圓鋼料稍好一些，但還有一小部分型腔沒(méi)有完全充滿，造成柱頭有部分缺陷。再采用圓鋼料Ф140 mm×345 mm 尺寸實(shí)驗(yàn)，料重量約41.7 kg。這回鍛造完全充滿型腔，但加工余量不是很足，再微調(diào)下料尺寸，適當(dāng)加長(zhǎng)下料尺寸。雖然這個(gè)尺寸的料在鍛造鐓粗過(guò)程中有少許的彎曲，但不影響鍛件質(zhì)量，最終確定圓鋼料下料規(guī)格為Ф140 mm×348 mm，加工余量合適。鍛造合格的柱頭毛坯料再經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，經(jīng)過(guò)測(cè)量外形尺寸如果沒(méi)有過(guò)大變形，柱頭硬度滿足圖紙要求，就可以確定用直徑140 mm的這種規(guī)格圓鋼料來(lái)批量鍛造柱頭。如圖4 是柱頭鍛造后成品。

圖4 鍛造的柱頭

4.3 鍛造后的柱頭半成品調(diào)質(zhì)

柱頭鍛造合格后的半成品再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)硬度為HB240-280。因?yàn)橹^是立柱受力部位，尤其是球頭位置，硬度要求更高，在調(diào)質(zhì)過(guò)程中嚴(yán)格控制硬度，確保柱頭硬度合格。

5 柱頭鍛造優(yōu)點(diǎn)

改變柱頭加工工藝，采用下料-鍛造-調(diào)質(zhì)-精加工，此種加工方法優(yōu)點(diǎn)如下：

節(jié)省車床粗加工的加工時(shí)間，在車床工作量大的情況下，沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行粗加工，從而節(jié)約車床加工時(shí)間，而且間接的可以車削加工其他產(chǎn)品，從而間接提高產(chǎn)品產(chǎn)量。

鍛造的圓鋼料比車削粗加工下的圓鋼料直徑要小，重量要小，從而單件的材料費(fèi)要低，間接節(jié)省制造成本。

平衡車床工作量過(guò)大，而鍛造工作量有時(shí)候存在不飽滿的問(wèn)題，從而平衡車間各工種的工作量，為車間的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)提供保障。

6 效果分析

鍛造柱頭模具的成功研制，鍛造立柱柱頭制作方法比原來(lái)用圓鋼粗車的方法制作柱頭加工效率高、節(jié)約成本、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。下圓鋼料制作立柱柱頭總費(fèi)用約394 元，改成鍛造后制作費(fèi)用約340 元。經(jīng)過(guò)核算成本：每件小柱頭的鍛造要比下圓鋼料粗車的方法節(jié)省54 元。通用重機(jī)公司每年制作柱頭數(shù)量大約1500 件，每年節(jié)約成本約81 000 元。柱頭鍛造方法制作柱頭提高了液壓支架制作效率，并且柱頭質(zhì)量過(guò)硬。

7 結(jié) 語(yǔ)

此立柱小柱頭鍛造模具的成功研制，改變了原有立柱柱頭加工工藝，節(jié)省了原材料和加工時(shí)間，提高了產(chǎn)品制造能力，為以后類似的小柱頭的制造提供參考和依據(jù)，為該行業(yè)設(shè)計(jì)制造類似結(jié)構(gòu)模具提供設(shè)計(jì)思路和借鑒。