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，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，使整個(gè)小柱就無法按工藝路線按時(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)通過對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，在保證不改變原柱頭材質(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大，否則對調(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，模具壁厚選擇相對小會(huì)給鍛造帶來便利，因?yàn)槟＞咧亓吭街貙﹀懺煸诫y，一般普通的鍛造不僅對鍛造工人技能有很高要求同時(shí)對鍛造工人勞動(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)開出料口。該出料口一是彌補(bǔ)鍛錘噸位低帶來的鍛造能力低的問題；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渡尺寸需要多次核對，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。如果選擇過大的拔模斜度是可以順利鍛造，但鍛造尺寸過大，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；如果選擇過小的拔模斜度可能會(huì)無法倒料。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)來選擇圓鋼料規(guī)格。因?yàn)殄懺炝慵畲笾睆绞?90 mm，經(jīng)過計(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)加長下料尺寸。雖然這個(gè)尺寸的料在鍛造鐓粗過程中有少許的彎曲，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)過調(diào)質(zhì)處理后，經(jīng)過測量外形尺寸如果沒有過大變形，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。

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

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)量過硬。

7 結(jié) 語

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。