基于自由鍛的細長栓桿胎模鍛造法

于鳳銀，楊 巍，于鳳燕

（1.白銀有色集團股份有限公司 裝備與自動化控制研究所，甘肅 白銀 730900；2.白銀市工信委，甘肅 白銀 730900；3.白銀有色集團股份有限公司 西北鉛鋅冶煉廠，甘肅 白銀 730900）

基于自由鍛的細長栓桿胎模鍛造法

于鳳銀1，楊 巍2，于鳳燕3

（1.白銀有色集團股份有限公司 裝備與自動化控制研究所，甘肅 白銀 730900；2.白銀市工信委，甘肅 白銀 730900；3.白銀有色集團股份有限公司 西北鉛鋅冶煉廠，甘肅 白銀 730900）

本文根據鍛造生產中的典型實例，論述基于自由鍛-空氣錘胎模鍛造細長栓桿的方法，對細長栓桿的鍛造胎模進行設計，并闡述細長栓桿胎模鍛造工藝過程，同時，針對鍛造生產過程中容易出現的問題進行分析說明，以便合理利用現有鍛造設備，解決設備不足對生產帶來的影響。

自由鍛；細長栓桿；胎模鍛造；工藝

在自由鍛設備上，利用胎模生產鍛造細長栓桿的模鍛件，是相對較為困難的。細長栓桿桿部直徑偏細，端部直徑大，鍛件整體長度超出了自由鍛的鍛造范圍，屬于鍛造生產中的頂鐓鍛件，通常應在頂鐓設備如模鍛機、平鍛機上鍛造生產[1]。但由于模鍛機、平鍛機價格相對昂貴，企業通常并沒有這類特殊鍛造設備；同時，適用于頂鐓設備的頂鐓模具設計復雜、加工制造成本高、生產準備周期長。因而，在現有的自由鍛設備——空氣錘上，采用胎模鍛造方法生產細長栓桿模鍛件，很有現實意義。本文以鍛造生產中的一個典型實例為代表，對基于自由鍛的細長栓桿胎模鍛造法進行了研究。生產實踐證明，該方法技術可行、經濟適用，較大地提高了細長栓桿的鍛造生產效率。

1 胎模鍛造法的特征

胎模鍛造是在自由鍛設備——空氣錘上，利用胎模模具生產鍛件的一種工藝方法。通常為自由鍛預鍛制坯，胎模終鍛造成形，適用于無特殊模鍛設備的鍛造企業進行特殊鍛件的批量生產。

與常規自由鍛相比，胎模鍛造方法具有如下特征：①胎模模具的設計、加工質量和精度，保證了鍛造工件的形狀和尺寸。胎模鍛工藝對鍛造工人的技術要求不高，鍛造工的操作技術熟練水平，對胎模鍛造最終結果影響不大；其操作簡便易行，生產效率高。②胎模鍛造的鍛件形狀準確，尺寸精度較高；鍛件工藝余量小、加工富裕量少，能有效節約原材料，減輕精加工過程中的工作量和鍛件切削余量；③胎模鍛造成形的鍛件，鍛件內部組織結構細密，纖維分布更加符合鍛件的各種性能要求。

細長栓桿鍛件產品圖如圖1所示，其特點為：總體長度超長，總長度L為520mm，桿頸部直徑30 mm，端部（?70mm×20mm，90°沉頭）為埋頭形狀，材質A3鋼，產品技術要求為：鍛造后不加工、表面粗糙度Ra25。

2 胎模鍛設計方案理論分析

根據圖1所示鍛件特點及其桿部直徑尺寸，選擇?30mm圓鋼作為鍛件坯料，以保證栓桿鍛造后的桿部直徑尺寸及產品的技術要求，同時選用400kg空氣錘作為自由鍛設備。

圖1 細長栓桿產品圖

現場對?30mm圓鋼鍛造坯料進行局部加熱至溫度1250℃左右，坯料呈紅熱狀態，在自由鍛設備上，采用胎模鍛造方法，進行坯料的端部鐓粗成形，完成細長栓桿的鍛制過程。

根據鍛件局部鐓粗法則，細長桿類鍛件的一次鐓粗成形條件為：變形長度與桿部直徑比值應小于3.2，否則必須經過多次鐓粗才能成形。將細長栓桿的變形長度L0=72mm（可由端部尺寸?70mm×20mm、90°沉頭計算得出，并略大于端部直徑，以利于栓桿埋頭的材料堆積成形）及栓桿桿部直徑d0=?30mm，代入公式（1）：

其比值小于次鐓粗極限值3.2，該細長栓桿滿足一次鐓粗條件，不會產生桿部縱向鍛造彎曲，即：坯料端部的變形區，經過空氣錘錘擊后，可以全部充滿胎模的型腔，而無坯料堆積歪斜現象發生，如圖2所示。

400kg空氣錘相關技術參數如表1所示。

圖2 細長栓桿頭部鐓粗變形示意圖

表1 400kg空氣錘技術參數

細長栓桿總長度L=520mm，其剩余自由鍛造高度L1可由公式（2）計算得出：

代入計算得

圖3 空氣錘錘頭行程示意圖

由式（2）計算結果可知，400kg空氣錘錘頭距離栓桿坯料的頂端面180 mm，即：400kg空氣錘錘頭的有效錘擊行程為180mm，如圖3所示。細長栓桿鍛造生產中，不僅上、下料困難、起模不便，而且錘擊力不夠，很難達到栓桿鍛件頂部鐓粗成形的預期結果。

在180mm自由鍛行程下，400kg空氣錘的錘擊力由公式（3）計算得出：

為了使細長栓桿胎模鍛造過程中上下坯料方便、起模容易，且坯料局部加熱后，頂部能夠鐓粗成形，必須增大400kg空氣錘錘頭的自由高度L1和錘擊力F錘擊力。為此，撤除空氣錘原有下砧，使空氣錘底座滑軌至錘頭距離增加到980mm，人為增大空氣錘的剩余自由高度L1，即：空氣錘有效行程增大至460mm，從而使鍛制栓桿的錘頭有效行程L1達到胎模鍛所需的范圍值。此時，由公式（3）計算得出，擴大錘頭有效行程L1后的錘擊力為：

相比于原180mm自由鍛行程下的錘擊力，錘擊力增大了266kg，因此，可有效解決在空氣錘（400kg額定錘擊力）上采用胎模鍛方法鍛制細長栓桿時，空氣錘有效行程不夠及錘擊力不足的問題。

3 胎模設計及胎模鍛工藝過程

圖4 上胎模設計圖（單位：mm；材質：5CrNiMo；淬火硬度：HRC42-46）

圖5 下胎模設計圖（單位：mm；材質：45#鋼；淬火硬度：HRC42-46）

為減小鍛造過程中胎模的重量，降低勞動強度，采用上、下胎模、自由鐓頭成形的設計方式，如圖4、5所示。上、下胎模均設計有R15mm的裝柄孔，以便安裝抬柄，便于上、下模脫模出件。同時，為確保細長栓桿桿部鍛造尺寸公差符合產品技術要求，防止鍛造過程中因桿部過長彎曲變形而導致栓桿鍛件脫模困難，在進行栓桿坯料端部鐓粗時（L0尺寸范圍內），坯料直徑應與胎模模孔尺寸相等，并采用桿部底端面支撐定位的設計方式，將坯料桿部底端面固定、頂靠在400kg空氣錘下底座平面上，坯料L0范圍內局部加熱，水冷栓桿其余桿部區域，以促進栓桿快速鐓粗成形，桿部無彎曲變形現象發生。

3.1 上、下胎模的尺寸設計要點

（1）上、下胎模采用直通孔模孔設計形式，坯料為?30 mm的A3冷拔鋼，局部加熱鐓粗成形。

（2）考慮到坯料局部鐓粗時，細長栓桿桿部直徑不變，即：L0尺寸范圍之外部分基本上不參與鐓粗成形，因此，上胎模內孔尺寸設計為設計下胎模內孔直徑為上模孔直徑公差為正值，且略大于下模孔的直徑公差帶范圍，以利于胎模鍛造后的工件取出及坯料的支承定位。

（3）為便于細長栓桿端部的鐓粗成形，上胎模高度尺寸應略大于坯料的局部加熱鐓粗尺寸L0；同時，考慮胎模的易加工性，該高度尺寸設計為140mm。

3.2 胎模鍛的工藝過程

3.2.1 坯料制備

3.2.2 坯料局部加熱

如圖6所示，局部加熱坯料，使坯料的始鍛溫度為1250℃，終鍛溫度為700℃（可放至加熱爐或自制的簡易焦炭加熱爐內進行局部加熱），坯料其余桿部區域水冷2～3分鐘。

圖6 細長栓桿坯料局部加熱尺寸圖

3.2.3 空氣錘下砧拆除及胎模鍛造成形

移出400kg空氣錘下砧的固定鍥鐵片，拆除空氣錘下砧。在其底座滑軌上，放置上、下胎模，啟動400kg空氣錘，開錘鐓粗成形細長栓桿鍛件的頭端部。抬起上胎模，移出鍛造成形的工件，進行下一個細長栓桿鍛件的胎模鍛造。至此，完成基于自由鍛的細長栓桿胎模鍛造過程。

4 經濟效益與勞動生產效率的提高

基于上述方法鍛制細長栓桿鍛件，獲得良好的經濟效益，表現為：①鍛造產品合格率顯著提高。據生產資料統計顯示：普通鍛件產品的合格率僅達到70%～80%。由于鍛造工人的人為因素及客觀限制等原因，即便是頂鐓機或模鍛機鍛制生產的產品，其合格率也往往僅在97%左右；而采用基于自由鍛的細長栓桿胎模鍛造方法所鍛造產品，在坯料制備尺寸準確可靠、坯料局部加熱尺寸范圍控制適當的條件下，所鍛造生產的3600根細長栓桿鍛件全部合格，合格率達100%，并成為鍛件的免檢一級品工件。細長栓桿鍛造產品外觀光滑，不產生毛刺和飛邊等鍛造缺陷。②顯著提高了鍛造工人的勞動生產率。基于自由鍛的細長栓桿胎模鍛造，平均每5分鐘鍛造生產出一根合格的細長栓桿產品，與普通鍛件相比，勞動生產效率提高50%以上，基本達到了頂鐓機或模鍛機的生產效率水平。③顯著提高細長栓桿鍛制的產值和產量。鍛造生產作業班（5名鍛造工人，其中包括一名司錘工）日工作7小時，鍛制生產細長栓桿鍛件約400件，平均每班日產值達8000元，產量達到1280kg。相比于普通鍛件，鍛造產量和產值均有大幅度提高，約為45%左右。④生產費用降低，節約鍛造成本。基于自由鍛的細長栓桿胎模鍛造，每鍛制1200件，僅需加工制作一副如上所述的胎模，而使用頂鐓機或模鍛機，生產鍛制相同數量的同種細長栓桿，則需要三套相應配套的模具。此外，由于制作模具材質要求的特殊性，大部分模具都選用堅固耐用的優質合金鋼，如5CrMnNi，模具加工制造成本高、加工工藝復雜，制作周期長。對于本文所述的細長栓桿3600件鍛造生產任務而言，采用基于自由鍛的細長栓桿胎模鍛造方法，節約了六套模具，僅此一項，節約資金約15600元，極好地降低了鍛造的生產成本。

5 胎模鍛造過程中需注意的問題

基于自由鍛的細長栓桿胎模鍛造過程應注意避免以下3個問題：①利用鋸床或車床切割制備坯料，以避免坯料端面產生毛刺現象。坯料下料長度應嚴格控制在范圍內，以避免鐓粗過程中栓桿頭端部未鐓滿悶實，出現鍛件頭部“缺肉”現象，或因坯料過長而導致坯料與錘擊方向垂直面傾斜，出現鍛件鐓歪現象。②坯料局部加熱尺寸必須控制在L0范圍內，以避免胎模鍛造過程中，坯料“悶死”在模具內無法脫模。③空氣錘底座滑軌平面須光滑水平，以避免鍛件鐓斜，影響栓桿鍛件產品質量和外觀尺寸。

6 結束語

在鍛造加工生產中，如果細長栓桿頭部尺寸滿足鍛件的鐓粗法則，且栓桿長度在自由鍛空氣錘錘頭的有效行程范圍內，則可以采用自由鍛設備--空氣錘，利用胎模鍛造的方法生產鍛造細長栓桿。運用該方法鍛造生產的栓桿產品質量，與采用頂鐓機、平鍛機或模鍛機鍛制的同類產品質量等同，細長栓桿鍛件無飛邊、毛刺等鍛造缺陷，鍛造的產品精度高、無需二次加工成形，可滿足該類產品的技術要求；同時，基于自由鍛的細長栓桿胎模鍛造方法，具有生產效率高、胎模制作成本低，鍛造生產工藝簡單易行，生產準備周期短等特點和優勢。

[1]江榮華．無飛邊閉式胎模鍛新工藝 [J]．鍛壓裝備與制造技術，2010，45（1）.

[2]田福祥，靳會洲．高強度螺栓冷擠鐓成形工藝及模具設計[J]．鍛壓裝備與制造技術，2011，46（1）.

The die forging method of long and thin bolt base on open die forging

YU Fengyin1,YANG Wei2,YU Fengyan3
(1.The Equipment and Automation Control Institute,BNMC,Baiyin 730900,Gansu China; 2.The Industry and Science Department of Baiyin City,Baiyin 730900,Gansu China; 3.Northwest Lead and Zinc Smelter,Baiyin 730900,Gansu China)

According to the typical example in the forging production,the die forging method of long and thin bolt has been discussed in the text,which is based on the hammer forge--air hammer.The design and process of die forging method of long and thin bolt have been expounded.Meanwhile,the difficulties easily occurred in the forging process have been analyzed so as to properly make use of current forging equipment,which solves the insufficient situation of machine equipment.

Open die forging;Long and thin bolt;Die forging

TG316.3

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.026

1672-0121（2016）01-0088-04

2015-06-26；

2015-08-12

于鳳銀（1967-），男，高級工程師，從事鍛造工藝研究設計。E-mail:missiby@sohu.com