十字頭銷胎模鍛工藝模擬設(shè)計(jì)

康海鵬，司桂珍，李大喬

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 熱工分公司，陜西 寶雞 721002）

十字頭銷是石油鉆機(jī)循環(huán)系統(tǒng)鉆井泵動(dòng)力端上的關(guān)鍵零件，用于連接連桿體小端和十字頭，工作中承載著較大往復(fù)沖擊作用，機(jī)械性能要求較高，一般為低碳鋼或合金鋼鍛件[1]。

1 鍛件工藝性分析

圖1是某型號(hào)鉆井泵十字頭銷零件簡圖，分析其結(jié)構(gòu)可知，十字頭銷屬于深孔凸緣類鍛件，該類鍛件的特點(diǎn)是端桿部（凸臺(tái)）直徑小而長度長，上端凸緣直徑大而長度短，中間有通透深孔，孔的深度一般都大于凸緣的直徑[2]。

圖1 十字頭銷零件簡圖

此類鍛件一般有兩種成形方法[3]：

（1）自由鍛成形：自由鍛成形時(shí)先對坯料鐓粗，正反沖通孔，按凸緣的外徑和內(nèi)孔直徑尺寸芯軸拔成長套筒坯料，內(nèi)徑稍小于終鍛件尺寸，再在坯料的一端留足凸緣的長度，剩余部分芯軸拔長到凸臺(tái)的外徑尺寸。

自由鍛的特點(diǎn)是操作靈活，只需沖孔沖頭和拔長芯軸兩件工裝就可完成鍛造，不足之處在于制坯過程中正反沖通孔，從頭不易對正，內(nèi)孔夾層，芯軸拔長時(shí)，長套筒兩端易出現(xiàn)裂紋和喇叭口形狀，或拔長時(shí)變形不均勻，套筒一端長短不一，需加入切頭余料，有時(shí)更會(huì)出現(xiàn)筒壁壁厚不均，導(dǎo)致坯料報(bào)廢。

（2）胎模鍛成形：一般情況下，深孔凸緣類鍛件的胎模鍛過程包括預(yù)鍛制坯和終鍛成形兩個(gè)過程。

預(yù)鍛制坯是將圓柱坯料在預(yù)鍛模內(nèi)直接鐓粗，目的是成形凸緣部分，并對凸緣和凸臺(tái)的坯料進(jìn)行合理的分料，利于終鍛成形。

終鍛時(shí)將預(yù)制坯料放入終鍛套模內(nèi)，如圖2所示，沖孔沖頭穿過導(dǎo)向套沖孔，坯料在沖頭的作用下沖孔的同時(shí)對金屬形成拉伸作用，帶動(dòng)金屬向下流動(dòng)，最后金屬充滿套模和墊模之間的空白區(qū)域Ⅰ，內(nèi)孔形成的同時(shí)成形凸臺(tái)部分。

圖2 不同制坯尺寸對鍛件成形的影響

根據(jù)體積不變原理，沖孔前，預(yù)制坯料和終鍛套模之間的空白部分Ⅰ體積應(yīng)等于鍛件成活后內(nèi)孔的體積，而十字頭銷凸緣和凸臺(tái)的直徑相近，凸臺(tái)高度較高，重量占坯料的絕大部分，如果按凸緣和凸臺(tái)實(shí)際重量分料，預(yù)制坯的凸臺(tái)高度高，使得上述空白部分的體積小于孔的體積，在沖孔的過程中，金屬隨沖頭向下流動(dòng)充滿模具后，內(nèi)孔還未完全成形，其余金屬會(huì)被反擠向上流動(dòng)，擠進(jìn)導(dǎo)向套、沖頭和套模之間形成的空隙。隨著金屬溫度的降低及金屬的反向流動(dòng)，摩擦增大，變形抗力也急劇增大，成形變得困難。

對于凸臺(tái)長度較長，占整體重量比較大的此類鍛件，為了防止鍛造過程中金屬反擠，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整制坯過程中金屬的分配，增大凸緣部分的高度，將凸臺(tái)部分的金屬先分配到凸緣部分，使制坯和終鍛模具之間的空白部分的體積不小于鍛件內(nèi)孔的體積，這樣，利于在變形過程中金屬的流動(dòng)方向始終向下，減小摩擦，降低鍛造所需載荷。

與自由鍛相比，胎模鍛沖孔時(shí)沖頭始終在導(dǎo)向套的導(dǎo)向作用下，內(nèi)孔一次成形，不會(huì)產(chǎn)生偏孔，外壁在胎模的限制下，表面光潔，鍛件尺寸精度較高，余量較小，鍛件內(nèi)部金屬流線完整，機(jī)械性能更好，所以對于大批量的十字頭銷鍛件，適合胎模鍛成形。

2 胎模鍛工藝設(shè)計(jì)及模擬成形分析

結(jié)合以上成形過程分析，設(shè)計(jì)十字頭銷胎模鍛的工藝流程如下：下料→加熱→預(yù)鍛制坯→加熱→終鍛→沖連皮、退沖頭、出模→正火。

整個(gè)鍛造過程需兩火次，預(yù)鍛工步適當(dāng)加大了凸緣部分的高度，終鍛工步利用沖頭的拉伸作用，在導(dǎo)向套的導(dǎo)向下，向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)金屬流動(dòng)，終鍛模具下部有帶凸臺(tái)的墊模，金屬最終在沖頭的擠壓下流入墊模凸臺(tái)兩側(cè)的模腔內(nèi)成形，上砧帶動(dòng)導(dǎo)向套將鍛件的上端面壓平。

借助于Deform有限元成形模擬軟件，對十字頭銷的成形過程進(jìn)行模擬，分析成形過程中各主要參數(shù)。

2.1 鍛件溫度場變化

圖3為終鍛時(shí)鍛件內(nèi)部及表面的溫度場圖，從圖中可以看出，鍛件心部溫度較高，有些部位甚至超過了始鍛溫度高，其原因在于胎模鍛時(shí)坯料變形劇烈，內(nèi)能增加，導(dǎo)致鍛件心部溫度不降反升，這有利于提高金屬塑性和鍛件成形。鍛件表面由于長期和鍛模接觸，溫度降低很快，基本都在600℃以下，因此鍛造前，應(yīng)對套模預(yù)熱到200-300℃。沖頭周圍溫度較高，利于金屬拉伸變形，內(nèi)孔不易出現(xiàn)裂紋等缺陷，這對鍛件成形是有利的。

圖3 終鍛件內(nèi)外溫度場

2.2 鍛件速率場變化

圖4為鍛件終鍛成形模擬過程中第100步，第150步，第210步和第249步金屬流動(dòng)速率場。從圖中可以看出，整個(gè)終鍛成形過程中，金屬的流動(dòng)方向總體始終向下，這種沖頭運(yùn)動(dòng)方向和金屬流動(dòng)方向一致的流動(dòng)趨勢有利于金屬成形過程中降低摩擦力，利于鍛件成形。

圖4 鍛件成形過程速率場

2.3 鍛造載荷變化

圖5 鍛造載荷曲線

圖5為從制坯到終鍛過程中鍛造載荷的變化曲線。從曲線可以看出，制坯工步載荷在后期有較大的上升，最大時(shí)為6.9×106N，這是由于金屬后期和模具接觸后，溫度下降，摩擦力增大，變形抗力增加導(dǎo)致曲線變陡。

沖孔開始后，變形抗力下降，是由于沖頭與金屬接觸面積小，使得同樣的壓力下，作用在金屬上的壓強(qiáng)很大，很容易使沖頭沖入金屬；后期載荷有波動(dòng)，這是由于沖頭沖入到一定的深度后，金屬受到模壁，沖頭及墊模的作用，鍛件內(nèi)部，特別是鍛件下段金屬流動(dòng)方向紊亂（第210步速率場圖），導(dǎo)致載荷波動(dòng)，待金屬基本充滿墊模兩側(cè)時(shí)，流動(dòng)方向趨于一致，下部金屬溫度降低，受到?jīng)_頭、模壁及墊模的摩擦影響，載荷急劇增大，到終鍛時(shí)增大到1.33×107N，此時(shí)鍛件終鍛完成。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)以上模擬結(jié)果，進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證。鍛件材料45鋼，燃?xì)鉅t加熱，在3t電液錘上鍛造，生產(chǎn)過程按上述工藝流程進(jìn)行。

鍛件下料規(guī)格?210×365，下料重量98kg。始鍛溫度1200℃，坯料加熱到始鍛溫度，直接放入預(yù)鍛模具內(nèi)上砧鐓粗，成形凸緣部分；出模后重新加熱到1200℃，預(yù)鍛坯放入終鍛模具，加導(dǎo)向套和沖頭下壓，鍛件燜型完成后，將模具和鍛件翻轉(zhuǎn)置于墊圈上，加小沖頭沖通孔，同時(shí)退出正向沖頭，鍛件出模，及時(shí)正火處理轉(zhuǎn)加工工序。圖為6成形鍛件。

圖6 成形鍛件

經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，以上所設(shè)計(jì)的十字頭銷胎模鍛工藝方案是可行的，鍛件尺寸余量符合加工要求，充型良好，表面光潔，內(nèi)孔無裂紋及偏孔缺陷，相比自由鍛，單件可以節(jié)省原材料41kg。

4 結(jié)論

（1）十字頭銷類深孔凸緣鍛件適合胎模鍛成形，采用胎模鍛有利于避免深孔成形時(shí)的各種缺陷，提高鍛件的整體質(zhì)量，減小加工余量，節(jié)約金屬，提高效率，鍛件內(nèi)部金屬流線完整。

（2）十字頭銷胎模鍛在制坯時(shí)，應(yīng)適當(dāng)先將凸臺(tái)部分的坯料分配到凸緣部分，這樣有利于沖孔過程中金屬的拉伸效應(yīng)，使金屬的流動(dòng)趨勢不變，易于充型。

（3）采用預(yù)鍛制坯和終鍛成形的胎模鍛工藝方案，可以鍛出符合設(shè)計(jì)要求的鍛件，鍛件下料尺寸要接近預(yù)鍛模具的模堂尺寸，這樣才能更好的在預(yù)鍛制坯階段按設(shè)計(jì)分配坯料。

（4）十字頭銷內(nèi)孔直徑小，深度大，沖孔時(shí)，沖頭的溫度極易升高，沖頭磨損嚴(yán)重，為了保證沖頭的硬度，宜選用50CrMnMo等紅硬性較高的材料。