36MN壓機扁擠壓筒組件制造關鍵技術研究

2015-06-07 09:42:04朱殿瑞

鍛壓裝備與制造技術 2015年1期

李煒，朱殿瑞

（太原重工軋鋼設備分公司，山西太原 030024）

0 引言

太重軋鋼分公司研制的36MN扁擠壓筒組件，結構復雜，制造精度高，加工部位形狀特殊，一般工藝方法無法滿足加工要求。其組成包括：擠壓筒內襯、擠壓筒外套、扁擠壓墊、扁清理墊及扁擠壓桿等零件。主要適用于鎂合金特殊形狀型材的正向擠壓成形[1-2]。

1 36MN扁擠壓筒主要參數及加工難點

扁擠壓筒外觀如圖1所示，其主要參數為：總擠壓力36MN；扁孔尺寸160mm×450mm×900mm；組件外形尺寸?1350mm×900mm；扁孔內腔粗糙度Ra1.6；熱處理硬度 47-50HRC；σb≧1300～1400N/mm2。

扁擠壓筒內襯材料為耐熱合金工具鋼H13，外形尺寸?700mm×900mm，扁孔尺寸160mm×450mm×900mm，結構如圖2所示。

圖1 扁擠壓筒外觀示意圖

圖2 擠壓筒內襯結構

內襯加工的核心難點在于：①三段圓弧的加工及扁孔平面開檔的加工；②形狀決定淬火后內應力大，容易產生裂紋，要保證零件的使用壽命；③內孔精度高，需要在淬火及熱裝后精加工，但淬火后硬度達47-50HRC，如何保證精度及光潔度；④熱裝后組件規格為?1350mm×900mm，重量8000kg，需要選擇合適的機床。

2 扁擠壓筒的加工工藝流程與試制

2.1 加工工藝流程

扁擠壓筒組件的工藝流程可大致分為：1-粗加工；2-探傷；3-晶粒度檢查；4-調質；5-半精加工；6-淬火；7-半精加工；8-消除應力；9-半精加工；10-熱裝；11-精加工。

關鍵工序是熱裝后精加工中內孔的拋光，需要制作一整套拋光工具，難度很大[3-4]。

2.2 扁擠壓筒的試制缺陷分析與改進措施

2.2.1 試制缺陷分析

在首個扁擠壓筒研制的過程中，發生了扁擠壓筒內襯在精加工過程使用線切割進行內孔加工時產生整體開裂的事故。裂紋成Y字形，整體裂透。經過多方專家會審，初步判斷是由于內襯壁厚不均勻，導致熱處理、機加工等應力疊加，在線切割過程中應力平衡被打破，在應力集中處即切口處突破強度極限，發生開裂現象[5]。

2.2.2 改進措施

為了保證扁擠壓筒組件的成功研制，在吸取了首個擠壓筒內襯失敗的基礎上，經過討論，對冶煉、鍛造、熱處理及機加工提出了要求，并及時對圖紙及技術要求進行了更改，其處理措施如下[6]：

（1）為盡量避免線切割工序，設計更改扁孔，由三段圓弧對接結構變更為完整半圓弧結構。

（2）冶煉時要采用精煉爐及氬幕保護，盡量降低雜質及氣體含量，含碳量控制在0.32%～0.39%范圍內。

（3）鍛造采用中心鍛實法及V型砧鍛造，保證芯部鍛造質量。鍛造過程中應嚴格控制終鍛溫度。鍛后熱處理工藝要求球化處理，細化晶粒。

（4）調質前除探傷檢查外還需進行晶粒度檢查，檢查部位應盡量靠近中心，外圓也要取兩點。如達不到五級，調質前要先進行正火細化晶粒。

（5）調質前扁孔尺寸加工成300mm×140mm扁橢圓孔，淬火前加工單邊留4mm余量，為了降低熱處理應力，硬度由原來的HRC47-50變更為HRC40-46，淬火后進行消除應力，溫度要求比回火溫度低50℃。在各熱處理過程中工藝人員要跟蹤控制中冷溫度不能太低。淬火后的回火次數由熱處理確認是否需要增加[7]。

（6）機加工，特別是淬火后加工應盡量避免線切割加工。

（7）在內襯壁厚處鉆減應力工藝孔，如圖3所示。用以均勻厚度，減小熱處理過程中的受熱及散熱不均勻引起的應力集中。

圖3為兩種減應力孔的方案，圖3a為圓弧式長孔，3b為圓形通孔。經有限元計算強度，并通過討論計算結果，圖3a無法滿足擠壓筒使用時的強度要求，所以決定采用圖3b方案。

圖3 減應力工藝孔

3 扁擠壓筒內孔拋光專用工藝裝備研制

扁擠壓筒的加工成功與否關鍵取決于工藝裝備，針對工藝裝備制作難度大這一問題，根據現有車間的加工條件，考慮了兩種內孔拋光方法。

3.1 增加補塊法

增加補塊將扁孔兩端半圓弧拼成一個完整圓，進行絎磨，并制作專用內孔磨削工具磨削內孔平面。制作的補芯需要與內襯的硬度相近，需要表面淬火，否則容易使內孔半圓弧不圓（見圖4）。補芯與內孔平面配合，并制作鏜模，借助減應力孔將補芯固定在內孔中，防止竄動。同時鏜模還可以增加刀桿導向防震功能。此方法的優點是，在保證絎磨加工條件的同時還可以除去刀具和工件切削時產生的撞擊，并減小由于刀桿過長下撓引起的誤差[8]。

圖4 增加補芯進行內孔絎磨

內孔平面磨削工具考慮了三種形式，如圖5、6、7所示。

圖5 內孔平面磨削方案一

圖6 內孔平面磨削方案二

圖7 內孔平面磨削方案三

（1）將碗狀砂輪安裝在特種電機上，并用刀桿連接電機和牛頭刨床或鏜床，通過電機帶動碗狀砂輪及機床的往復運動來磨削平面。由于扁孔開檔只有160mm，碗狀砂輪厚度約50mm～60mm，剩余空間僅余 100mm，因此，此方法要求電機厚度極薄，特種電機訂制還需要投入時間及資金。

（2）使用通用電機，并通過傳動機構將扭矩傳入扁孔內部，來帶動碗狀砂輪進行磨削加工。由于磨削加工要求轉速很高，因此需使用高速齒輪，高速齒輪的制作廠家還需要考察。

（3）使用高速皮帶輪將電機扭矩傳導至碗狀砂輪處，帶動砂輪進行內孔磨削。由于磨削時皮帶輪受力大，皮帶輪的受力與其寬度成正比，經估算，寬度將超過內孔開檔尺寸160mm，因此很難滿足加工要求。

采用這種方案加工扁擠壓筒內孔最關鍵的是扁孔平面與圓弧精確對接。最困難的是扁孔開檔尺寸太小，長度較長，相當于長懸臂加工，無法避免的由于自重產生下撓，影響精度。同時內襯材料很硬，加工時容易產生震動，這樣內孔的粗糙度就會受到影響，需要制作自動導向減震機構來減小振動帶來的不利影響。同時在進行磨削實驗時發現磨頭轉速高時容易燒傷加工表面，因此還需要制作磨削冷卻系統來降溫。

3.2 采用內孔拋光工具法

制作適合于機床裝卡使用的內孔拋光工具，安裝在數控鏜床上進行拋光，如圖8所示。

圖8 拋光內孔

千葉輪拋光時，線速度要求2000m/min，千葉輪直徑應當小于等于?160mm，考慮在數控拋光時千葉輪走到R80圓弧處時，直徑越大則接觸面積越大，所需電機功率越大，容易造成電機卡死，因此選用千葉輪直徑?120mm。

根據公式：

V=πdn

可得：n=V/πd=2000/0.12π=5305 轉/分

經過調研，選取上海駿馬氣動工具有限公司的SX150氣動砂輪機。此產品用于修焊縫、清理鑄件毛刺及粗磨削加工，金屬構件表面的修正等方面也有廣泛應用。工作時使用的是角磨機砂輪片。

此種馬達具有重量輕、轉速高、功率高的特點，十分適合本次拋光加工，能將自重引起的刀桿下撓現象減輕到最小，又可以提供足夠的功率滿足拋光要求。但由于原產品用途不同，剛性較差，只適用于手工操作，且不能保證精度。而且工件硬度高，使用砂輪片長時間磨削容易造成表面燒傷，并且砂輪磨損量大，對精度和表面質量的提高會起到反作用。因此，必須進行改裝。

為了提高剛性，保證加工精度，我們將氣動馬達安裝到空心刀桿中，刀桿尾端做成適合機卡的錐柄，這樣就可以安裝到鏜床上使用。前端保護罩的功能主要是防止砂輪片撞擊工件后碎裂，飛濺傷人，但此次使用的是千葉輪，不存在砂輪炸裂的問題，因此將保護罩拆掉，安裝千葉輪。千葉輪拋光時的摩擦力較砂輪磨削時的摩擦力小，因此馬達工作時的轉速應當會提高，滿足拋光條件。拋光深度可根據實際零件的深度制作不同長度的刀桿（見圖9）。千葉輪粒度60，進行粗拋，然后使用粒度200精拋[9]。

圖9 氣動拋光工具

3.3 千葉輪拋光效果試驗

考慮到千葉輪拋光不容易改變原始內孔形狀，將切削刀紋的波峰和波谷填平。出于這種考慮，在實際加工之前，我們設計了拋光試驗來檢測實際的拋光效果。

（1）試驗設計。試驗用試塊采用與擠壓筒內襯硬度基本接近的材料（見圖10），伸長鏜桿，用插補刀盤側面銑平面，其目的是模擬實際加工時擠壓筒內襯內孔的表面質量。并在刨床上安裝電機，帶動千葉輪旋轉，然后進行往復運動，進而對試塊表面進行拋光處理。

圖10 試塊硬度分布圖（HRC）

（2）試驗條件。進刀深度5mm；切削深度2mm；轉速280～290轉/分；鏜桿伸出長度700mm；刀盤直徑160mm。切削后表面平面度0.05mm以下，中間接刀處平面度0.07mm，刀紋深度0.15mm。

（3）試驗結果及分析。從現場實際測量和目測情況來分析，千葉輪雖然能將尖銳的波峰拋掉，目測光潔度較好，但經千分表打表測量，其波峰波谷之差最大能達到0.1mm。由此可得，千葉輪拋光雖然能將鋒利的波峰拋掉，提高表面質量，但剛性稍差。當波峰稍鈍的時候，就容易將波峰和波谷一起拋光，形成一種光滑過渡的波浪形曲線，也就是說，千葉輪拋光不具備修正平面形狀的能力。因此在拋光之前應該盡量用機加工來保證內孔的直線度、平面度，并盡量提高拋光前內孔的粗糙度。具體方法是先用玉米銑刀去掉大部分余量后，用單刀精光圓弧面，并用插補刀盤精光內孔平面，要求高轉速，小切削深度，慢走刀，目的是盡量減小換刀片的頻率，減少接刀，保證平面度，為千葉輪拋光打好堅實的基礎。

經過討論，決定先使用第二套方案氣動拋光工具對內孔進行拋光。第一套方案作為后備方案，在第二套方案加工效果不理想時啟用。