鉤頭螺栓成形工藝與胎模設計

郭坤亮

鉤頭螺栓是一種板梁用栓焊件，屬于長桿類非標準螺栓。鉤頭螺栓鍛件3D模型如圖1所示。

本文對鉤頭螺栓胎模鍛成形工藝進行研究，利用反印法制作鉤頭螺栓終鍛胎模，滿足了生產需要，取得了較好的經濟效益。

圖 1

1. 工藝性分析

從鉤頭螺栓結構看，鉤頭螺栓屬于黑皮鍛件，其鉤頭部分具有斜面多的特點，適合于胎模鍛造。胎模鍛造是一種介于自由鍛造與模鍛之間的鍛造方法。其直接采用坯料或先用自由鍛方法初步改變毛坯形狀，合理分配金屬以適應鍛件橫截面積和形狀的要求，把坯料預鍛成近似于鍛件的形狀，使金屬更好地充滿胎模，然后在自由鍛設備上利用單模膛胎模終鍛成形。胎模不固定在錘頭或砧座上，只是在使用時才放上去。胎模鍛所需鍛造設備噸位小，能源消耗低，模具制造成本小，生產制造成本相對較低。

鉤頭螺栓材質為Q235，對鍛件內部組織要求不高。為提高生產效率，選用δ22鋼板下料，省去由棒料鍛制長方料坯工步。

經分析，成形工序主要有：鋼板下料→鉤頭斜面預成形→分料→鉤頭終鍛成形→桿部拔長→摔圓→調直→打磨→制絲。

2. 胎模設計

胎模鍛工藝與胎模是緊密相關的，確定胎模結構時，要做到結構盡量簡化、使用方便、經濟且耐用。

（1）鉤頭斜面預成形模設計 預鍛目的是為了減小終鍛變形程度。終鍛前金屬還需在局部范圍內流動，使坯料的每一截面進一步成形，以利于鍛件坯料進行終鍛，而不產生折疊等缺陷，又減輕終鍛胎模的負擔與磨損，從而提高胎模使用壽命。現采用斜面預成形模進行預鍛，預鍛出鉤頭斜面。根據工件金屬分布特點，預成形模斜面傾角采用45°，預成形模3D模型如圖2所示。

（2）鉤頭分料模設計 為了使產品具有一致性，分料模須有定位結構，保證鉤頭部分每次分出的金屬盡量一樣多，避免金屬充不滿模膛或飛邊過大。根據鉤頭部分所需金屬量，將定位長度尺寸設計為50mm，分料模深度尺寸設計為35mm，分料模結構3D模型如圖3所示。

（3）終鍛胎模設計與制作 終鍛胎模要承受鉤頭部分成形過程中的力學沖擊載荷與熱載荷，很容易產生大的磨損、塑性變形、裂紋等缺陷，所以盡量采用鐓粗及壓扁充滿模膛。這給終鍛胎模結構設計提出了更高要求。

為使模膛表面層金屬纖維組織連續分布，從而增加模具強度和沖擊韌度，以提高模具壽命，現采用反印法制造鉤頭螺栓終鍛成形胎模，反印模芯的制作可以利用鉤頭部分自然斜面當作拔模斜度。

考慮到熱態模膛和熱鍛件的冷縮量（0.8%～1.5%），以及熱處理淬火的變形量，模芯尺寸一般取工件尺寸的1.02倍。模芯材料可選用合金調質鋼40Cr，熱處理選擇830～860℃油淬火、中溫380～450℃回火工藝，熱處理硬度確定為40～45HRC，模芯表面粗糙度Ra1.6～3.2μm，從而使反印的模膛光亮，以利于工件脫模。模芯和反印的終鍛成形胎模結構3D模型如圖4所示。

圖 2

圖 3

圖 4

3. 成形過程

將加熱至1200℃的坯料放在鉤頭斜面預成形模上，此時坯料的一角剛好在正上方。輕擊該角，使其形成鉤頭螺栓頭部底端斜面，接著將坯料翻轉180°，放在鉤頭分料模上，擊打坯料，將頭部金屬分出。而后掉轉坯料，鍛打桿部金屬，降低坯料高度，以利于頭部金屬進入終鍛胎模成形。鉤頭頭部從終鍛胎模里脫模后，用專用夾鉗夾住頭部，將桿部進行拔長、摔圓即可。

4. 結語

鉤頭螺栓表面要求為黑皮鍛件，不適于自由鍛造，采用反印法制造鉤頭螺栓終鍛成形胎模，在滿足了工件工藝要求的同時，降低了模具成本，取得了較好的經濟效益。