帶槽的環形鍛件工藝設計

李書旭 莊慶福 軒少華 孟 獻 劉亞旭

（南陽二機石油裝備（集團）有限公司，河南 南陽 473000）

帶槽的環形鍛件工藝設計

李書旭 莊慶福 軒少華 孟 獻 劉亞旭

（南陽二機石油裝備（集團）有限公司，河南 南陽 473000）

分析了帶槽的環形鍛件的結構特點，通過輾環鍛件工藝設計，生產質量較好、節約材料的環形鍛件。

環形鍛件；輾環；徑向軋制；輾擴比

帶槽的環形鍛件是石油行業常用的鍛焊滑輪組件，鍛焊滑輪有三部分組成，輪緣、輪轂、輻板組焊而成。輪緣為鍛件，帶有繩槽，自由鍛加工余量大，生產效率低。本文通過工藝設計及模具設計生產出帶槽的環形鍛件。

1 零件的結構特點

該零件質量42KG，最大外圓915mm，高70 mm，內孔785 mm屬于典型的薄壁環形鍛件。

2 工藝分析

輾環工藝是徑向軋制切向延伸的鍛造過程，是專門軋制環類鍛件的一種特種成型方法。此類鍛件外圓大，內孔大，厚度薄（相對外圓），帶繩槽，屬于典型異形環件。由于環件在厚度方向有一定斜度，適合采用立式徑向輾環。該產品采用立式輾環工藝流程為：下料-加熱-鐓粗-沖孔-加熱-輾環-加熱-輾槽。該工藝過程采用自由鍛設備制坯。在預制坯過程中環件帶有繩槽需要先輾成矩形截面圓環，然后更換模具輾出繩槽，這樣制坯時間較長，有需要更換模具，此種工藝需要加熱3-4次。經過分析鍛件高度，可以在設備上裝兩組模具，一組輾矩形截面圓環，另一組輾繩槽成形，一次輾出繩槽。改進后工藝流程為下料-加熱-鐓粗（750KG空氣錘）-沖孔-加熱-輾環（1200立式輾環機）。這種輾環方法生產效率高，勞動條件好，加熱成本低，質量穩定。通過實際生產應用，這種生產方式是可行的。

3 工藝編制

根據此鍛件的材質、壁厚、形狀復雜性、余量及公差做出鍛件圖，見圖1。

圖1

從鍛件圖可以看出，制坯是關鍵，制坯毛坯體積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，影響到產品合格率。預制毛坯的依據是鍛件圖和金屬流動規律。根據體積不變定律和徑向軋制金屬流動體積分配，確定預制坯的形狀尺寸及變形程度。

3.1 高度確定。此類環類鍛件外形復雜，外形帶斜度，斷面帶凹槽。采用半封閉孔形徑向輾壓成形完全可以滿足產品精度及質量要求。徑向軋制輾環采用小壓下量，連續成形，鍛件總高度基本不發生變化。又因為軋制繩槽時，繩槽在半封閉孔中被模具擠壓成形，高度增加，外圓擴大，內孔擴大，因此制坯時毛坯高度取環件最低尺寸。

3.2 內孔直徑的確定。確定內孔直徑之前先確定輾擴比K，輾擴比K是設計輾壓預制坯尺寸首先要確定的參數。由于輾壓變形的軸向寬展量比周向延伸量小得多，所以在工藝計算中往往忽略周向寬展。輾擴比一般情況下取1.5～5.確定了輾擴比之后就可以按K=dn/dm（dn鍛件內孔，dm毛坯內孔）和體積不變定律確定輾壓預制坯的內外徑尺寸。根據分析，K分別取最小值1.5，最大值5，中間值3.25，如果K取1.5，則dm=516.7mm；如果K取3.25，則dm=238.5mm；如果取最大值5，則dm=155mm。

3.3 選擇輾擴比。輾擴比的影響因素[1]有鍛件的截面形狀、制坯方式、鍛件質量、生產率、輾環溫度、芯軸的剛度和疲勞溫度、制坯設備的能力等因素。經過綜合分析，選取最大輾擴比比較合適，便于制坯和沖孔。因為是自由鍛制坯，內徑取dm=160mm。

3.4 外徑的確定。在確定預制坯毛坯的高度和內孔后，按照鍛件變形前后體積不變定律，可以計算出預制毛坯的外徑，設計出預制毛坯的設計圖。

4 輾環模具設計

環件采用半封閉輾壓方式，且安裝兩套模具，主動輪模具尺寸大，設計成整體式不方便維修更換，且磨損后不能再利用。這里把主動輪模具設計成分體式，從動輪模具設計成整體式。繩槽模具和環件成形模具。分體式模具大幅度降低了模具成本，方便了模具更換，有一定的通用性，提高了模具使用價值。輾壓完成時，主動輾壓輪與被動輾壓輪不能接觸，所以型腔深度尺寸再加上收縮率后要減去5mm。鍛造過程要點：由于鍛件毛坯尺寸較大，所以要對鍛件毛坯質量嚴格控制。鍛件在加熱時要保證加熱均勻性，尤其是輾環時，建議在允許的最高始鍛溫度下開始輾環，這樣有利于輾環成形。輾制間隙期，應注意模具和設備的降溫冷卻，一般直接用水噴冷，或者鹽水噴冷，保持輾壓輪模具的強度。

綜上所述，通過輾環鍛造，生產出了批量產品，質量穩定，生產效率大幅提高，輾環鍛件表面質量較好，比原來節約了60%材料。毛坯成本大量降低，降了50%以上。通過批量生產，我們逐漸減少繩槽加工余量，部分斜面不再加工，取得了很好地效果。在批量生產薄壁帶繩槽此類鍛件時應該注意以下幾點：一是合理的工藝設計可以減少前期試驗次數，加快復雜環型鍛件設計開發。二是預制毛坯的設計很關鍵。三是制坯模和輾壓繩槽模具，采用合理的分體式模具設計，不僅減少加熱成本，更提高了生產效率。

[1]中國機械工程學會鍛壓學會.鍛壓手冊第一卷：鍛造[M].北京：機械工業出版社，1993.

TG4

A

1671-0037（2014）11-77-1

李書旭（1985-），男，助理工程師，研究方向：鍛壓設備及工藝研發。