新型切邊整形技術研發及應用

文/白孝俊，夏占雪，田興平·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

新型切邊整形技術研發及應用

文/白孝俊，夏占雪，田興平·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

白孝俊，技術部主管，主要負責新產品研發、工藝優化及改進、現場質量服務、對外技術服務、工藝管理及科研課題等工作，主持或參與的項目獲實用新型專利3項、一拖科技進步獎3項、一拖青年科技創新獎6項，曾獲“國機集團青年崗位能手”、“一拖集團優秀青年”等榮譽稱號。

切邊和沖孔工序是目前鍛造行業一種常用的工序，它是使用模鍛錘或熱模鍛壓力機等鍛壓設備，將鍛件在模具里鍛打成形后，再利用摩擦壓力機、液壓機或曲柄壓力機等設備上安裝的切邊模具去除飛邊及連皮，從而得到所需要的鍛件形狀。目前，我國鍛造生產線上采用的切邊及沖孔模具完成切邊及沖孔后，鍛件均存在不同程度的變形，對后續工序產生的影響較大，很大一部分鍛件還需要采用校正工序來解決變形問題，這樣不僅增加了設備及模具數量，而且大大增加了鍛件的制造成本，造成資源浪費。

本文的目的在于研發一種新型的切邊整形技術，鍛件在切邊及沖孔的同時防止鍛件產生較大的變形，而且模具制造性較好，工作過程穩定，使用方便可靠。

制造工藝分析

鍛件在切邊及沖孔過程中會產生以下3種變形：

⑴切邊變形。切邊時，沖頭壓著鍛件向下運動，而凹模會給鍛件飛邊一個向上的力，這就導致鍛件中間出現凹陷。

⑵沖孔變形。沖孔時，沖頭壓著鍛件向下運動，而沖子會給鍛件內孔一個向上的力，這就導致鍛件中間出現凸起。

⑶復合變形。現在最常用的是切邊沖孔復合工藝，即鍛件切邊和沖孔同時進行，或者切邊后沖頭繼續向下走時就立即完成沖孔，這種情況鍛件受力更加復雜，也將導致鍛件呈現多種變形情況。

對于易變形的鍛件（如支座、鏈輪）或者質量要求高的鍛件（如曲軸、連桿），需要采用熱校正工序來校正變形，不僅大大增加了生產成本，且校正效果有限。為了解決這一問題，我們引入了預緊和校正的概念，有效地減小了因切邊及沖孔產生的變形。其具體過程為：鍛件在沖頭壓著向下走時，由頂出器持續施加一個向上的越來越大的預緊力，沖頭繼續向下走，鍛件完成切邊及沖孔工序。之后，沖頭繼續向下走，由于此時頂出器施加的力量已經非常大，依靠沖頭和頂出器的共同作用，對鍛件進行了熱校正。最后，沖頭升高，頂出器也頂著鍛件緩慢升高，將鍛件頂出模具，就完成了一個工作流程。

制造技術方案

根據以上分析，本技術方案設計如下：

切邊整形模具示意總圖，如圖1所示。該模具主要由沖頭、凹模、頂出器、模板、沖子、緊固座、底座、氮氣彈簧、保護罩、沖頭夾、字頭以及冷卻系統構成。其中，沖子及緊固座可以在鍛件不沖連皮的時候拆除，冷卻系統可以根據工廠的實際，采用水或壓縮空氣進行冷卻。

圖1 切邊整形模具示意總圖

沖頭部分設計及裝配示意圖，如圖2所示。沖頭通過螺釘緊固在沖頭夾上，沖頭夾通過楔子緊固在設備運動機構上，沖頭設計時依據鍛件上輪廓形狀制作，但應考慮留出側面間隙，防止壓壞鍛件，字頭根據顧客需要制作。

圖2 沖頭部分設計及裝配示意圖

凹模部分設計及裝配示意圖，如圖3所示。凹模通過螺釘及壓鐵緊固在模板上，模板通過螺釘緊固在底座上，由于凹模到工作臺面的高度一般是固定的，凹模是易損件，如果沒有模板，將會導致凹模的高度增加，從而導致生產成本增加。凹模的刃口按照鍛件外輪廓設計，可以根據需要放大或者縮小，從而控制切邊帶的寬窄。

圖3 凹模部分設計及裝配示意圖

頂出部分設計及裝配示意圖，如圖4所示。頂出器放置在氮氣彈簧上，氮氣彈簧通過螺釘緊固在底座上，中間孔輪廓和緊固座單邊有0.5～1mm的間隙，從而讓緊固座成為導向柱，避免頂出器在上下反復運動中錯動。如果鍛件的形狀要求頂出器不能轉動，還可以在緊固座和頂出器之間增加一個或多個導向鍵，頂出器依據鍛件下輪廓形狀制作，頂出器底部設計有冷卻水槽，接通循環冷卻水后可以減少向氮氣彈簧傳導熱量。

圖4 頂出部分設計及裝配示意圖

沖子部分設計及裝配示意圖，如圖5所示。沖子通過螺釘緊固在緊固座上，緊固座通過螺釘緊固在底座上。緊固座的主要作用是導向，防止頂出器錯動。由于沖子是易損件，如果沒有緊固座，將會導致沖子的高度增加，從而導致生產成本增加，沖子設計根據鍛件需要沖的孔形狀設計，如果鍛件不沖孔，可以不做沖子設計，這時候應考慮僅將緊固座用作導向機構，也可以取消緊固座在頂出器和底座之間另外設計導向結構。

冷卻系統設計及裝配示意圖，如圖6所示。冷卻系統可以根據工廠自己的情況采用循環水冷卻或者壓縮空氣冷卻。循環水冷卻可以直接在頂出器挖出水槽，水槽寬度不能超過氮氣彈簧頂柱直徑的1/3；使用壓縮空氣冷卻應保證每個氮氣彈簧至少有一個冷卻噴嘴，直接對氮氣彈簧頂柱進行吹風冷卻，但應注意的是冷卻系統排布應和氮氣彈簧排布一致，這樣才能對每個氮氣彈簧起到較好的冷卻效果。

圖5 沖子部分設計及裝配示意圖

圖6 冷卻系統設計及裝配示意圖

采用新工藝生產時，操作人員將熱鍛件放置在頂出器上，啟動設備，沖頭往下運動，接觸鍛件后，壓著鍛件及頂出器往下繼續運動，此時氮氣彈簧開始被壓縮，提供一個均勻增大的向上的力，使頂出器和沖頭緊緊抱住鍛件，當沖頭繼續向下運動過程中飛邊被凹模切掉，連皮被沖子切掉，沖頭繼續向下對鍛件變形進行進一步的校正，到達設計高度時，設備開始回程，帶動沖頭向上運動，頂出器在氮氣彈簧的推動下也開始向上運動，并最終將鍛件推出，操作人員取出飛邊、連皮及鍛件后，完成切邊及沖孔工序。

該切邊整形模具校正功能的實現關鍵是校正力大小以及力量的來源，校正力不合適將無法把變形控制到預期范圍或者壓壞鍛件，嚴重的會毀壞設備，通過查詢《鍛工手冊》或其他資料可以計算出鍛件所需校正力，可以使用蝶形彈簧或者氮氣彈簧來實現，校正力的來源需易控制且安全可靠。本工藝采用穩定性更好的氮氣彈簧，但應注意，校正力加切邊力不能大于切邊設備噸位的80%。

技術方案的先進性及創新點

⑴在切邊沖孔時，由于氮氣彈簧提供的預緊力使鍛件不至于有較大的變形，在沖頭繼續往下運動中還可以進一步對變形進行校正，所以能有效解決鍛件的切邊變形，從而省去一道校正工序。對于光潔度要求不高的鍛件（如驅動輪、鏈軌節等），鍛件外輪廓可以省去機加工，大大降低生產成本。

⑵校正力的來源選用氮氣彈簧，該類型彈簧目前國內有銷售，可提供較大的校正力，便于安裝固定，性能穩定，使用壽命較高，可以方便加載和卸掉壓力。

⑶切邊整形模具帶有導向，并可根據需要增設導向鍵防止頂出器轉動，避免出現頂出器或鍛件卡在凹模內的情況，工作性能穩定，安全可靠。對于狀況不好的設備，可以在沖頭和底座上增設導柱導套，使沖頭能順利進入凹模，實用性較好。

⑷切邊整形模具通過簡單的結構外形變動，就可以應用于絕大多數的鍛件去除飛邊及連皮。拆掉沖子后，則可以用于部分只切邊不沖孔的鍛件，應用廣泛，且該模具中大多數部件為標準件，可以相互借用，制造成本低。

結束語

該新型切邊整形模具研發成功后，已在我廠38個產品上進行了推廣應用，每個產品省去了一道校正工序，不僅縮短了鍛件制造周期，還節約了一套校正模具、一臺設備及兩個操作人員，降低了生產成本。隨著數控技術的普及，機械加工對鍛件的加工余量和尺寸的一致性要求將越來越高，勢必要求鍛件在生產過程中要控制變形，而我們研發的新型技術完全可以控制鍛件切邊及沖孔變形，省去校正工序，使鍛件的生產成本降低約5%，具有非常大的經濟價值。同時，我們也看到該技術有不少需要持續改進的地方，比如改進連接結構可以提高換模速度、改進切邊刃口可以提高模具壽命、增加導軸導套可以控制沖頭和凹模間隙等，我們需要不斷改進該工藝以適應發展的需要。