文/孫建華·山東礦機(jī)集團(tuán)萊蕪煤機(jī)有限公司

導(dǎo)套輾環(huán)工藝及模具設(shè)計(jì)

文/孫建華·山東礦機(jī)集團(tuán)萊蕪煤機(jī)有限公司

導(dǎo)套輾環(huán)件寬度大，外部臺階多，壁薄，鍛件輾擴(kuò)難度大，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，廢品率高，合理的工藝制定非常關(guān)鍵。針對這一問題，通過運(yùn)用摩擦壓力機(jī)閉式擠壓制坯，徑向輾環(huán)機(jī)半封閉輾擴(kuò)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(zhì)量穩(wěn)定，取得了較好的經(jīng)濟(jì)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(zhì)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(jìn)入這個(gè)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(qiáng)，市場供不應(yīng)求，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

近年來，礦業(yè)機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅速，液壓支架設(shè)備關(guān)鍵部件——導(dǎo)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(jìn)行介紹，導(dǎo)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(diǎn)，決定了該類產(chǎn)品輾擴(kuò)難度較大。該產(chǎn)品鍛件重量為36.5kg，材質(zhì)為27SiMn，具有以下特點(diǎn)：

圖1 導(dǎo)套鍛件圖

⑴外圓有三個(gè)臺階。一般輾環(huán)件外圓普遍有兩個(gè)臺階，而該產(chǎn)品外圓有三個(gè)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(yù)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(shè)備制坯，自由鍛設(shè)備造價(jià)低、制坯工裝和胎模結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短。但是，其缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，對工人技術(shù)熟練程度要求高。并且，預(yù)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(shí)間長，制坯過程中毛坯溫度降低很快，達(dá)不到輾環(huán)工序所需的始鍛溫度，只有將預(yù)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(shè)備條件，經(jīng)過工藝過程分析和研究決定采用摩擦壓力機(jī)設(shè)備擠壓制坯，工藝流程為下料→加熱→鐓粗、擠壓（1600t摩擦壓力機(jī)）→沖孔、整形（315t壓力機(jī)）→輾環(huán)（800mm徑向輾環(huán)機(jī)）。這種制坯方法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)條件好，工藝穩(wěn)定，操作簡單，且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。通過比較以上兩種工藝方法，采用摩擦壓力機(jī)擠壓制坯工藝方式生產(chǎn)該產(chǎn)品是比較可行的。

預(yù)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(guān)鍵，預(yù)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(dòng)規(guī)律，以至于影響到是否能生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的合格產(chǎn)品。因此，輾環(huán)件產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵是預(yù)制毛坯尺寸的確定。

環(huán)件預(yù)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(shí)金屬流動(dòng)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(dòng)量的數(shù)值，確定預(yù)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(gè)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(gè)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(fù)雜，質(zhì)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(zhì)量要求，由于徑向輾環(huán)過程中采用小壓下量輾壓，因此預(yù)制毛坯總高度等于環(huán)件總高度，預(yù)制毛坯每個(gè)臺階的高度也相應(yīng)地等于環(huán)件相應(yīng)臺階的高度。

⑵內(nèi)徑尺寸的確定。在選擇預(yù)制毛坯內(nèi)徑尺寸之前，首先要確定輾擴(kuò)比k（k=d/d0，其中，d為環(huán)件內(nèi)徑尺寸，d0為預(yù)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(shí)際生產(chǎn)中，如果k取的值較小，預(yù)制毛坯內(nèi)孔尺寸d0就會大，因?yàn)轭A(yù)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(yù)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(shí)金屬在模具里向上流動(dòng)距離長、阻力大，成形較為困難。因此，預(yù)制毛坯內(nèi)孔尺寸的確定就很關(guān)鍵，綜合考慮選取k=3，毛坯內(nèi)徑平均為φ111.7mm，因?yàn)閮?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(yù)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(jì)算出預(yù)制毛坯各臺階相應(yīng)的外徑尺寸，設(shè)計(jì)出預(yù)制毛坯初步的設(shè)計(jì)圖，如圖2所示。

預(yù)制毛坯初步設(shè)計(jì)圖確定以后，只能作為設(shè)計(jì)預(yù)制毛坯模具的初步依據(jù)，因?yàn)槭紫仍谳殙哼^程中，存在大環(huán)向小環(huán)的軸向金屬流動(dòng)的變形規(guī)律；其次，制坯過程中預(yù)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(gè)臺階外徑尺寸相差很小，為了簡化預(yù)制毛坯外形，方便設(shè)計(jì)和制造模具，完全可以將這兩個(gè)臺階利用模鍛斜度合并為一個(gè)來考慮。

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

圖3 預(yù)制毛坯改進(jìn)圖

模具設(shè)計(jì)

制坯模具設(shè)計(jì)

制坯模型腔按照預(yù)制毛坯改進(jìn)尺寸加放收縮量確定，模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。下模型腔深度一般設(shè)計(jì)時(shí)加深2～3mm，原因是毛坯高度尺寸會由于預(yù)制毛坯沖孔時(shí)受力而減小。

圖4 制坯模具結(jié)構(gòu)圖

圖5 輾壓輪及芯軸簡圖

由于工作時(shí)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(yán)重，上模就要整體報(bào)廢，這樣造成模具成本很高，所以將上模設(shè)計(jì)成組合結(jié)構(gòu)，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(yù)制毛坯能快速、順利地從下模中脫出，在下模底部設(shè)計(jì)一頂桿，以幫助預(yù)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(shè)計(jì)

該環(huán)件采用半封閉輾壓方式，設(shè)備為D51型立式輾環(huán)機(jī)，輾壓模及芯軸設(shè)計(jì)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(shí)，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(dǎo)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(kuò)時(shí)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(gè)支撐，以改善其受力狀況，延長芯軸使用壽命。其實(shí)，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(shè)計(jì)芯軸時(shí)，在工作長度方向上也將芯軸的尺寸設(shè)計(jì)成相應(yīng)一端的大小，以補(bǔ)償輾環(huán)過程中芯軸的變形量。

導(dǎo)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(diǎn)

下料尺寸要嚴(yán)格控制公差，下料質(zhì)量太小會導(dǎo)致鍛件輾不出來，外圓缺肉，鍛件不能完全成形；下料質(zhì)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(shí)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(shí)溫度太低會導(dǎo)致鍛件兩端面凹坑缺陷嚴(yán)重，影響產(chǎn)品質(zhì)量。制坯的過程要快速，盡量縮短制坯時(shí)間，保證輾環(huán)的時(shí)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(shí)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(zhì)量。

制坯時(shí)，先將坯料在模座一側(cè)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(zhǔn)確。擠壓成形過程中，坯料中心要撒上點(diǎn)碳粉，防止毛坯粘在沖頭上脫不下來。毛坯出模后，應(yīng)迅速移到?jīng)_孔壓力機(jī)工作臺上，同時(shí)翻轉(zhuǎn)180°，然后沖孔和平整上下端面。

結(jié)束語

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

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

⑵預(yù)制毛坯的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。只有預(yù)制毛坯體積分配合理，才能保證輾擴(kuò)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(shè)計(jì)合理、試制及加強(qiáng)生產(chǎn)過程控制是產(chǎn)品質(zhì)量的保證。