用于軸類鍛件的組合式摔圓模具的設計

□ 趙國棟

太原重工股份有限公司 技術(shù)中心 太原 030024

1 鍛造用摔圓工藝

在鍛造工藝中，對于軸類鍛件一般利用整形模具（摔圓模具）進行摔圓的精整作業(yè)。所謂摔圓，就是在鍛造軸類鍛件的時候，在鍛造壓機上對其進行初步的整形加工。加工時，將鍛件放置在上下兩個模（上、下摔圓模）之間，下模（下摔圓模）固定不動，用以支承鍛件，上模（上摔圓模）在鍛造壓機的作用下，對鍛件作循環(huán)沖擊，在沖擊力作用下，軸類鍛件貼合上下模具（上、下摔圓模）整形部分的圓弧形狀，鍛造時軸類鍛件旋轉(zhuǎn)或以固定角度旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)軸類鍛件圓形截面的整形［1-2］。摔圓鍛造工藝相應使用的模具稱為摔圓模具。

2 傳統(tǒng)摔圓模具的缺點

摔圓用的整形模具一般由上模具和下模具兩部分組成［3］，如圖1所示。在進行摔圓鍛造時，下模具固定不動，由上模具在垂直方向往復運動，對軸類鍛件施加循環(huán)沖擊力。可以看到，上、下模具的圓弧形整形部分為主要受力部分，也是和鍛件接觸最多的部分，因此該部分最容易受到損傷，如果采用較為昂貴的硬質(zhì)合金制造，可以改善損傷，但是其它不受力的部分采用同種合金制造顯然造成了浪費，一旦圓弧整形部分受損，必須將模具整體拆下，更換新的模具，費時費工［4］。

▲圖1 現(xiàn)有技術(shù)摔圓模

3 用于軸類鍛件的組合式摔圓模具的結(jié)構(gòu)

φ800 mm摔圓模具配備于125MN鍛造液壓機上，可實現(xiàn)最大直徑800 mm軸類鍛件的摔圓鍛造工藝，該套摔圓模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

下砧座用壓塊和T形頭螺栓固定在移動工作臺上，下砧座零件兩側(cè)設計上鉤和下鉤，用于和其它鍛造工具（例如平砧）相連接。下砧座上部和下固定座相連接，之間通過楔鍵固定。下固定座內(nèi)部安裝下摔圓模，上固定座內(nèi)部安裝上摔圓模，上、下固定座內(nèi)和上、下摔圓模之間通過四對斜鍵固定，并由鍵精確定位。上固定座和下固定座之間裝有兩組彈簧，彈簧共6個，3個一組，導桿起到讓彈簧豎直方向定位的作用，導桿通過螺釘固定在上固定座上。彈簧使上固定座和上摔圓模浮動于下固定座和下摔圓模之上，上摔圓模和下摔圓模之間有80 mm的間隙，上固定座和下固定座之間有100 mm的間隙。上砧座固定在活動橫梁底部的墊板上，通過楔鍵固定。

▲圖2 用于軸類鍛件摔圓的可拆卸模具

4 組合式摔圓模具的使用方法

使用時，鍛造操作機夾持軸類鍛件，將其放入上、下摔圓模之間的空擋中。鍛造液壓機主缸加壓，活動橫梁下降，將上固定座和上摔圓模壓下，同時將壓力傳給鍛件毛坯，使之產(chǎn)生塑性變形。下摔圓模合模后鍛造液壓機主缸泄壓，活動橫梁上升，在彈簧力作用下，上固定座和上摔圓模彈起，鍛件毛坯被松開，鍛造操作機將鍛件毛坯旋轉(zhuǎn)一定的角度（或進給一定的長度），再進行下一次鍛造過程。利用摔圓模具對軸類鍛件進行摔圓，往復鍛造次數(shù)可達60次/min。

鍛造不同尺寸的軸類鍛件，只需更換相應規(guī)格的上、下摔圓模，用于鍛造φ300 mm軸類鍛件的上、下摔圓模如圖3所示。

▲圖3 用于鍛造φ300 mm軸類鍛件的上、下摔圓模具

5 彈簧的設計和計算

彈簧是軸類鍛件摔圓可拆卸模具中重要的零件，它的設計和計算在整個摔圓模具部件中是最復雜也是最重要的。

摔圓模具彈簧采用圓柱螺旋壓縮彈簧，彈簧材料選用60Si2Mn，彈簧載荷情況屬于Ⅱ類：受循環(huán)載荷作用次數(shù)在103～106次范圍內(nèi)或受沖擊載荷［5］。彈簧的許用剪切應力［τ］=640 MPa，剪切彈性模量 G=80 GPa，溫度修正系數(shù)Kt=0.98。工作溫度下的剪切彈性模量：

Gt=KtG=78.4×109N

彈簧中徑D=280 mm，彈簧絲直徑d=70 mm，彈簧指數(shù)：

曲度系數(shù)：

最大工作負荷：

彈簧有效圈數(shù)n=9，彈簧剛度：

最大工作負荷下的變形量：

極限負荷：

極限負荷下的變形量：

最小工作負荷：

最小工作負荷下的變形量：

摔圓模具部件裝配好后，彈簧上部的零件重量m=28 t，單個彈簧承受載荷：

這時的變形量：

鍛造時，上砧下壓，上、下摔圓模閉合時彈簧的變形量：

這時彈簧受到的載荷：

彈簧節(jié)距t=100 mm，自由高度：

彈簧展開長度：

由以上計算結(jié)果得出彈簧載荷-形變圖（如圖4所示）和彈簧零件工作圖（如圖5所示）。

▲圖4 彈簧載荷-形變圖

▲圖5 彈簧零件工作圖

6 組合式摔圓模具主要零件材料及熱處理

模具材料選擇恰當與否對模具生產(chǎn)和使用具有重要作用，模具的磨損、機械疲勞、塑性變形和冷熱疲勞等典型失效類型都直接與模具材料及其后續(xù)加工密切相關，因此，模具材料對鍛件生產(chǎn)有重要影響。

按照熱鍛工藝要求和工藝裝備條件，熱鍛模具是在高溫熱負荷和機械沖擊負荷作用下工作，并且在加載時瞬時溫度和應力急劇升高、卸載時機械應力消失，同時溫度迅速下降至使用溫度，即模具始終在機械負荷和熱負荷又同時受脈沖式加載和卸載的環(huán)境條件下工作，可見其工作環(huán)境十分惡劣。

φ800 mm摔圓模具的主要零件材料及熱處理方式［6-8］見表 1。

表1 主要零件材料及熱處理方式

7 結(jié)束語

這套用于軸類鍛件摔圓的可拆卸模具有的優(yōu)點和有益效果是：模具可以與鍛造液壓機和鍛造操作機聯(lián)動，實現(xiàn)快速鍛造，提高了機械化程度，可以快速更換不同規(guī)格的摔圓模具，滿足不同規(guī)格軸類鍛件鍛造的需要，與鍛件接觸的、最易出現(xiàn)表面裂紋（龜裂）的零件，可以用優(yōu)質(zhì)合金工具鋼制造，不僅提高了模具的使用壽命，而且當上、下摔圓模受損后，可只更換上、下摔圓模，節(jié)省了模具制造成本。

［1］ 中國機械工程協(xié)會塑性工程學會.鍛壓手冊（第三版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［2］ 高俊峰.我國快鍛液壓機的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.鍛壓技術(shù)，2008（6）.

［3］ 葛艷明，黃杰雯，高志國.用于軸類鍛件摔圓的含有轉(zhuǎn)動模塊的可拆卸模具［P］.中國專利：CN201572874U，2010-09-08.

［4］ 殷和敏.摔圓料用的機械化工具［J］.機械工人，1959（3）.

［5］ 成大先.機械設計手冊（第五版）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007.

［6］ 《重型機械標準》編寫委員會.重型機械標準［M］.北京：中國標準出版社，1998.

［7］ 王貴斗.金屬材料與熱處理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［8］ 馬森林.熱鍛模具選材與制造工藝探討［J］.汽車工藝與材料，2005（5）.