導套輾環工藝及模具設計

文/孫建華·山東礦機集團萊蕪煤機有限公司

導套輾環工藝及模具設計

文/孫建華·山東礦機集團萊蕪煤機有限公司

導套輾環件寬度大，外部臺階多，壁薄，鍛件輾擴難度大，產品質量不穩定，廢品率高，合理的工藝制定非常關鍵。針對這一問題，通過運用摩擦壓力機閉式擠壓制坯，徑向輾環機半封閉輾擴的工藝方法，最終將產品試制成功，并批量生產。產品生產效率大幅提高，產品質量穩定，取得了較好的經濟效益。

隨著我國裝備制造業的不斷發展，各種輾環件由于其內在質量好、加工余量小、生產成本低而越來越受到用戶的青睞。該類產品的種類繁多，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進入這個行業。我們根據市場定位，走專業化輾環鍛件生產道路，由于產品綜合市場競爭力很強，市場供不應求，取得了較好的社會效益和經濟效益。

近年來，礦業機械行業發展迅速，液壓支架設備關鍵部件——導套輾環件市場需求穩步增長，該類產品品種較多（尺寸大小不同），為了便于說明，本文以其中一種為例，對該類輾環件的鍛造工藝進行介紹，導套鍛件圖如圖1所示。

產品特性分析

從圖1中可以看出，該產品屬于外多臺階高頸法蘭類輾環件，由于具有頸高、壁薄、臺階多等特點，決定了該類產品輾擴難度較大。該產品鍛件重量為36.5kg，材質為27SiMn，具有以下特點：

圖1 導套鍛件圖

⑴外圓有三個臺階。一般輾環件外圓普遍有兩個臺階，而該產品外圓有三個臺階，外徑尺寸自上而下逐漸減小，產品外形呈T形。

⑵內孔大。該產品內孔為無臺階直孔，內孔尺寸為φ335mm，和一般產品相比，內孔較大。

⑶壁薄。壁厚最薄處只有20.5mm，屬于比較薄的一類產品。

⑷頸高。鍛件總高度為156mm，和常規中小型輾環類產品相比較，高度尺寸較大。

工藝流程及預制毛坯尺寸

工藝流程

由于該產品屬于中小型輾環件，所以采用立式徑向輾環比較適合。該產品采用的立式輾環工藝流程為，下料→加熱→鐓粗→胎模鍛成形→沖孔→（脹孔）→整形→輾環。該工藝過程一般采用自由鍛設備制坯，自由鍛設備造價低、制坯工裝和胎模結構簡單，加工制造方便，生產準備周期短。但是，其缺點是生產效率低，工人勞動強度大，對工人技術熟練程度要求高。并且，預制毛坯過程中，內孔尺寸較大需要沖孔后脹孔，這種制坯方式時間長，制坯過程中毛坯溫度降低很快，達不到輾環工序所需的始鍛溫度，只有將預制毛坯重新加熱一火次，才能保證輾環工序的溫度要求。

為了消除普通制坯工藝的諸多不利因素，根據我公司現有設備條件，經過工藝過程分析和研究決定采用摩擦壓力機設備擠壓制坯，工藝流程為下料→加熱→鐓粗、擠壓（1600t摩擦壓力機）→沖孔、整形（315t壓力機）→輾環（800mm徑向輾環機）。這種制坯方法的優點是生產效率高，勞動條件好，工藝穩定，操作簡單，且易于實現機械化和自動化。通過比較以上兩種工藝方法，采用摩擦壓力機擠壓制坯工藝方式生產該產品是比較可行的。

預制毛坯尺寸的確定

從環件生產的工藝流程可以看出，制坯是關鍵，預制毛坯決定了體積的初始分配，輾環的變形程度和輾環過程中金屬的流動規律，以至于影響到是否能生產出質量穩定的合格產品。因此，輾環件產品生產的關鍵是預制毛坯尺寸的確定。

環件預制毛坯的依據是根據輾環件鍛件圖和環件輾環時金屬流動規律，根據環件輾環過程中體積不變和軸向金屬體積流動量的數值，確定預制毛坯的形狀尺寸以及輾環變形程度。為了便于分析，我們可以將圖1的輾環件自上而下依據外徑尺寸的不同劃分為3個矩形截面環件，分別為φ416mm×21mm、φ386mm×71mm、φ376mm×64mm。這樣圖1的環件就可以看成是3個環件的疊加。

⑴高度尺寸的確定。該類環件產品外形較為復雜，質量要求相對較高，采用半封閉孔形徑向輾環完全可以滿足產品精度及質量要求，由于徑向輾環過程中采用小壓下量輾壓，因此預制毛坯總高度等于環件總高度，預制毛坯每個臺階的高度也相應地等于環件相應臺階的高度。

⑵內徑尺寸的確定。在選擇預制毛坯內徑尺寸之前，首先要確定輾擴比k（k=d/d0，其中，d為環件內徑尺寸，d0為預制毛坯內徑尺寸），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。

在實際生產中，如果k取的值較小，預制毛坯內孔尺寸d0就會大，因為預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”，這樣坯料在擠壓時金屬在模具里向上流動距離長、阻力大，成形較為困難。因此，預制毛坯內孔尺寸的確定就很關鍵，綜合考慮選取k=3，毛坯內徑平均為φ111.7mm，因為內孔沖出來是有斜度的，所以內徑最小值取φ110mm。

⑶外徑尺寸的確定。在預制毛坯的高度和內徑確定以后，按照體積不變原則，就可以計算出預制毛坯各臺階相應的外徑尺寸，設計出預制毛坯初步的設計圖，如圖2所示。

預制毛坯初步設計圖確定以后，只能作為設計預制毛坯模具的初步依據，因為首先在輾壓過程中，存在大環向小環的軸向金屬流動的變形規律；其次，制坯過程中預制毛坯外徑存在模鍛斜度，內孔沖頭也存在斜度的問題；最后，φ386mm×71mm、φ376mm×64mm兩個臺階外徑尺寸相差很小，為了簡化預制毛坯外形，方便設計和制造模具，完全可以將這兩個臺階利用模鍛斜度合并為一個來考慮。

考慮到以上三個因素，必須對預制毛坯初步設計尺寸進行初步的修正和改進。由于產品的結構、尺寸比例等具有差異，因此，經過改進后在試制過程中預制毛坯尺寸還要進一步地根據實際情況進行局部修正，直到能輾出合格產品為止，這樣預制毛坯的尺寸才能完全確定下來，最終改進后的預制毛坯圖如圖3所示。

圖3 預制毛坯改進圖

模具設計

制坯模具設計

制坯模型腔按照預制毛坯改進尺寸加放收縮量確定，模具結構如圖4所示。下模型腔深度一般設計時加深2～3mm，原因是毛坯高度尺寸會由于預制毛坯沖孔時受力而減小。

圖4 制坯模具結構圖

圖5 輾壓輪及芯軸簡圖

由于工作時沖頭深埋在紅熱金屬里面，環境惡劣，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重，上模就要整體報廢，這樣造成模具成本很高，所以將上模設計成組合結構，沖頭鑲嵌在上模里，便于維修和更換，大大降低了模具成本。為使預制毛坯能快速、順利地從下模中脫出，在下模底部設計一頂桿，以幫助預制毛坯快速脫模。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。

輾壓模具設計

該環件采用半封閉輾壓方式，設備為D51型立式輾環機，輾壓模及芯軸設計如圖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，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 導向套輾環件

芯軸直徑尺寸按沖孔最小尺寸減10mm確定。由于該輾環件高度較大，輾擴時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支撐，以改善其受力狀況，延長芯軸使用壽命。其實，芯軸的頂端即使增加了支撐，在工作中也會有變形，這樣輾壓出來的環件內徑尺寸會出現“大、小頭”的情況，即法蘭大的一端內徑大，法蘭小的一端內徑小，因此設計芯軸時，在工作長度方向上也將芯軸的尺寸設計成相應一端的大小，以補償輾環過程中芯軸的變形量。

導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

下料尺寸要嚴格控制公差，下料質量太小會導致鍛件輾不出來，外圓缺肉，鍛件不能完全成形；下料質量太大，在輾環過程中，鍛件兩端會出現太大毛刺，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，同時料溫要稍高一些，接近始鍛溫度的上限，否則，由于坯料經過制坯后輾環時溫度太低會導致鍛件兩端面凹坑缺陷嚴重，影響產品質量。制坯的過程要快速，盡量縮短制坯時間，保證輾環的時候鍛件能有較高的溫度，對輾環成形有利；輾環過程中，輾壓輪和芯軸要及時水冷，保持輾壓輪型槽表面有足夠的硬度，減少型腔磨損，提高鍛件表面質量。

制坯時，先將坯料在模座一側鐓粗至φ208mm左右（比制坯模型腔最小內徑稍?。?，表面氧化皮要清除干凈，這樣坯料在模具中定位準確。擠壓成形過程中，坯料中心要撒上點碳粉，防止毛坯粘在沖頭上脫不下來。毛坯出模后，應迅速移到沖孔壓力機工作臺上，同時翻轉180°，然后沖孔和平整上下端面。

結束語

導套輾環件按照以上的工藝過程經過試制，輾擴出符合鍛件圖要求的產品（圖6），經過進一步的批量生產，我們總結出多臺階、高頸、薄壁法蘭輾環件的批量生產過程應該注意以下3點：

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

⑵預制毛坯的設計是關鍵。只有預制毛坯體積分配合理，才能保證輾擴工藝穩定，并能生產出合格的產品。

⑶制坯模、輾壓輪設計合理、試制及加強生產過程控制是產品質量的保證。