拉環鍛造工藝設計

文／王金鵬·寶雞石油機械有限責任公司

采用結合自由鍛和模鍛的方法對拉環鍛件進行了試制，針對試制出的產品存在局部折疊、拉傷、生產效率低以及長度難以控制等問題，對工具工裝進行改革，并分析、歸納出拉環開坯的展開長度，最終成功鍛出符合設計要求的拉環鍛件。

拉環是石油鉆機井架配件上常用的關鍵零件，鍛件外形復雜，尺寸要求嚴格，鍛造難度高。鍛成后通身打磨成活，因此對產品表面質量和尺寸精度有很高的要求。為保證生產出合格的拉環鍛件，我公司工藝人員設計出自由鍛結合模鍛生產拉環的生產方法，并成功鍛制出了質量合格的拉環鍛件。

拉環鍛造工藝設計

拉環鍛件圖如圖1所示，考慮到該產品尺寸精度要求嚴格，公差范圍窄，表面質量要求高等因素，可以采用整體模鍛的方法生產，但受設備噸位和工具工裝的限制，實際生產中，我們采用自由鍛和模鍛結合的方法生產，從而達到降低資金投入、節約原材料的目的。

該產品的鍛造工藝流程為：下料→加熱→對坯料兩端面進行鉚鐓→加熱→開坯→加熱→對坯料煨彎并合檔→加熱→對煨彎區域進行模鍛并切邊→加熱→整形→成活并冷卻→正火。

圖1 球頭拉環鍛件圖及開坯圖

結合自由鍛和模鍛生產該產品所用的工具種類較多，在生產中需要多次調彎和修整，根據鍛件圖設計制造相應的摔子、胎型及模具，部分工具示意圖如圖2所示。其中圖2(a)為直摔子，用于成形拉環兩端的桿部，圖2(b)為錐形摔子，用于成形兩個錐形部位。煨彎時用自制的U形胎型把坯料支起，坯料上面放一芯子，通過錘擊，迫使坯料彎曲，如圖2(c)所示。再用合檔胎型對拉環進行合檔。

圖2 生產球頭拉環原始使用的工具

拉環鍛造工藝優化

通過試制，發現產品存在以下問題：⑴圖1所示標記為1、2、3、4等部位整圈折疊，由于拉環通身為非加工表面，如果折疊較深，則會對零件的性能產生十分嚴重的影響，屬于必須要避免的鍛造缺陷；⑵煨彎時由于坯料與工具硬性接觸并相對摩擦造成局部拉傷，如圖2(c)所示標記為5、6處；⑶坯料煨彎時，由于料溫不均勻、坯料與工具的摩擦以及芯子的位置不能準確對中等因素，造成坯料煨彎后，95%以上的產品存在中心偏移、兩腿長度不一致的情況，需要合檔工序進行修整，嚴重影響生產效率；⑷產品完成后，長度極容易超差，理論計算的開坯長度不能有效的指導生產。

針對以上產生的問題，我們進行了系統的分析和研究。拉環開坯時每個部位都是經過摔子摔圓的，造成折疊的部位正好是摔子的端面摔過的地方，經工藝人員研究分析，摔子圓角半徑過小會導致坯料折疊。為此，我們增大了直摔子和錐形摔子端面的圓角半徑。煨彎坯料時，由于坯料與工具硬性摩擦，造成坯料與工具接觸部位局部拉傷，且自制的胎型開檔略大，坯料的自由度較高，容易引起兩腿長度不一致，需要在工具上進行改革。根據我公司正使用的煨彎機結構，我們做了一些改動，使得拉環可以在該設備上煨彎，原理如圖3所示。

圖3 改進后的工具示意圖

用兩個位置固定的滑輪與坯料直接接觸，油缸推動芯子對坯料中間部位施力，使坯料產生彎曲，在彎曲過程中，滑輪隨坯料轉動，由工具與坯料之間的滾動摩擦代替原來的滑動摩擦，可有效的避免坯料拉傷。對于長度超差問題，經過數次試驗并總結，該產品模鍛后錐形區域將伸長，而且模鍛時坯料在模具中的位置也會影響產品的成品長度，這些不確定因素是理論所無法計算的，因此而導致產品長度難以控制。為找到成形規律，確定拉環展開長度，我們對試制過的拉環進行多次跟蹤測量、分析對比，終于得出拉環的開坯長度經驗值。改進后，通過試驗，易折疊部位均勻過渡無缺陷，拉環桿部光滑，可以滿足非加工面要求。產品煨彎時，調整兩個滑輪之間的距離到合適的煨彎檔距，可以迫使坯料僅在中間部位彎曲，并在很大程度上避免了兩端走料不一致的情況，為后續工序減少了調彎、借正等工序，大大提高了勞動生產率。為保證產品尺寸符合要求，生產過程必須有嚴格的生產過程控制。

鍛造過程控制

下料

由于拉環長度公差小，料太大或太小都容易導致產品長度超差。經過長期的實踐經驗總結，用φ160mm圓鋼下料，單件170kg，下料時長度公差控制在±5mm范圍內。

開坯

拉環在開坯前應對坯料進行鉚鐓，使得坯料兩端形成鼓肚，這樣既可以保證球頭摔滿，無缺肉現象發生，又使球頭部位流線完整，具有較高的機械強度。用摔子摔桿部時，要保證摔子兩端有大圓角，避免造成坯料折疊。摔子摔完后，應保證桿部光滑，無氧化皮坑等現象。拉環開坯長度應嚴格控制，不可太短也不可太長，否則，煨彎后可能導致產品長度超差。由于該產品是對稱結構，開坯時要保證兩端對應長度相同；如開坯過程由兩火次完成，為保證外徑尺寸不因起氧化皮而減小，鍛好的一頭應留在爐子外面，僅對即將鍛造的一端進行局部加熱，此時再鍛造時應考慮桿部的熱縮量。

煨彎與合檔

煨彎時，為明確坯料中心位置，可在冷態下用砂輪對中間位置做出標記，加熱時應盡量使坯料受熱均勻，以減小坯料煨彎時的偏移量。如果煨彎后中心位置偏移，在合檔工序應對坯料進行借正，直至兩腿長度一致為止。為確保合檔工序錘面不傷到坯料，在調彎、借正時應用摔子扣在坯料上，鍛錘直接對摔子施力。

模鍛

對產品煨彎區域進行模鍛。模鍛后煨彎部分將由圓形截面變成扁圓形，此時，若坯料開坯較長，可把坯料往后放一些，以減小模鍛后坯料增長；若坯料開坯較短，可把坯料往前放一些，以增大模鍛后坯料增長，從而保證產品長度合格。但偏移量一定要把握好，不能為此使坯料充填不滿。

由于該產品是局部模鍛，鍛錘打實后，模具以外部分變形較嚴重，待切邊后，應趁熱回爐加熱，用專用胎型對產品進行調彎修整。

結論

采用自由鍛與模鍛結合的方法，我們成功的鍛出拉環毛坯鍛件。生產出的拉環尺寸符合工藝要求，表面質量滿足非加工面要求。實踐證明該鍛造工藝合理，可以生產出質量合格的拉環鍛件。