十字頭銷胎模鍛工藝模擬設(shè)計

康海鵬，司桂珍，李大喬

（寶雞石油機械有限責任公司 熱工分公司，陜西 寶雞 721002）

十字頭銷是石油鉆機循環(huán)系統(tǒng)鉆井泵動力端上的關(guān)鍵零件，用于連接連桿體小端和十字頭，工作中承載著較大往復沖擊作用，機械性能要求較高，一般為低碳鋼或合金鋼鍛件[1]。

1 鍛件工藝性分析

圖1是某型號鉆井泵十字頭銷零件簡圖，分析其結(jié)構(gòu)可知，十字頭銷屬于深孔凸緣類鍛件，該類鍛件的特點是端桿部（凸臺）直徑小而長度長，上端凸緣直徑大而長度短，中間有通透深孔，孔的深度一般都大于凸緣的直徑[2]。

圖1 十字頭銷零件簡圖

此類鍛件一般有兩種成形方法[3]：

（1）自由鍛成形：自由鍛成形時先對坯料鐓粗，正反沖通孔，按凸緣的外徑和內(nèi)孔直徑尺寸芯軸拔成長套筒坯料，內(nèi)徑稍小于終鍛件尺寸，再在坯料的一端留足凸緣的長度，剩余部分芯軸拔長到凸臺的外徑尺寸。

自由鍛的特點是操作靈活，只需沖孔沖頭和拔長芯軸兩件工裝就可完成鍛造，不足之處在于制坯過程中正反沖通孔，從頭不易對正，內(nèi)孔夾層，芯軸拔長時，長套筒兩端易出現(xiàn)裂紋和喇叭口形狀，或拔長時變形不均勻，套筒一端長短不一，需加入切頭余料，有時更會出現(xiàn)筒壁壁厚不均，導致坯料報廢。

（2）胎模鍛成形：一般情況下，深孔凸緣類鍛件的胎模鍛過程包括預鍛制坯和終鍛成形兩個過程。

預鍛制坯是將圓柱坯料在預鍛模內(nèi)直接鐓粗，目的是成形凸緣部分，并對凸緣和凸臺的坯料進行合理的分料，利于終鍛成形。

終鍛時將預制坯料放入終鍛套模內(nèi)，如圖2所示，沖孔沖頭穿過導向套沖孔，坯料在沖頭的作用下沖孔的同時對金屬形成拉伸作用，帶動金屬向下流動，最后金屬充滿套模和墊模之間的空白區(qū)域Ⅰ，內(nèi)孔形成的同時成形凸臺部分。

圖2 不同制坯尺寸對鍛件成形的影響

根據(jù)體積不變原理，沖孔前，預制坯料和終鍛套模之間的空白部分Ⅰ體積應(yīng)等于鍛件成活后內(nèi)孔的體積，而十字頭銷凸緣和凸臺的直徑相近，凸臺高度較高，重量占坯料的絕大部分，如果按凸緣和凸臺實際重量分料，預制坯的凸臺高度高，使得上述空白部分的體積小于孔的體積，在沖孔的過程中，金屬隨沖頭向下流動充滿模具后，內(nèi)孔還未完全成形，其余金屬會被反擠向上流動，擠進導向套、沖頭和套模之間形成的空隙。隨著金屬溫度的降低及金屬的反向流動，摩擦增大，變形抗力也急劇增大，成形變得困難。

對于凸臺長度較長，占整體重量比較大的此類鍛件，為了防止鍛造過程中金屬反擠，應(yīng)適當調(diào)整制坯過程中金屬的分配，增大凸緣部分的高度，將凸臺部分的金屬先分配到凸緣部分，使制坯和終鍛模具之間的空白部分的體積不小于鍛件內(nèi)孔的體積，這樣，利于在變形過程中金屬的流動方向始終向下，減小摩擦，降低鍛造所需載荷。

與自由鍛相比，胎模鍛沖孔時沖頭始終在導向套的導向作用下，內(nèi)孔一次成形，不會產(chǎn)生偏孔，外壁在胎模的限制下，表面光潔，鍛件尺寸精度較高，余量較小，鍛件內(nèi)部金屬流線完整，機械性能更好，所以對于大批量的十字頭銷鍛件，適合胎模鍛成形。

2 胎模鍛工藝設(shè)計及模擬成形分析

結(jié)合以上成形過程分析，設(shè)計十字頭銷胎模鍛的工藝流程如下：下料→加熱→預鍛制坯→加熱→終鍛→沖連皮、退沖頭、出?！?。

整個鍛造過程需兩火次，預鍛工步適當加大了凸緣部分的高度，終鍛工步利用沖頭的拉伸作用，在導向套的導向下，向下運動帶動金屬流動，終鍛模具下部有帶凸臺的墊模，金屬最終在沖頭的擠壓下流入墊模凸臺兩側(cè)的模腔內(nèi)成形，上砧帶動導向套將鍛件的上端面壓平。

借助于Deform有限元成形模擬軟件，對十字頭銷的成形過程進行模擬，分析成形過程中各主要參數(shù)。

2.1 鍛件溫度場變化

圖3為終鍛時鍛件內(nèi)部及表面的溫度場圖，從圖中可以看出，鍛件心部溫度較高，有些部位甚至超過了始鍛溫度高，其原因在于胎模鍛時坯料變形劇烈，內(nèi)能增加，導致鍛件心部溫度不降反升，這有利于提高金屬塑性和鍛件成形。鍛件表面由于長期和鍛模接觸，溫度降低很快，基本都在600℃以下，因此鍛造前，應(yīng)對套模預熱到200-300℃。沖頭周圍溫度較高，利于金屬拉伸變形，內(nèi)孔不易出現(xiàn)裂紋等缺陷，這對鍛件成形是有利的。

圖3 終鍛件內(nèi)外溫度場

2.2 鍛件速率場變化

圖4為鍛件終鍛成形模擬過程中第100步，第150步，第210步和第249步金屬流動速率場。從圖中可以看出，整個終鍛成形過程中，金屬的流動方向總體始終向下，這種沖頭運動方向和金屬流動方向一致的流動趨勢有利于金屬成形過程中降低摩擦力，利于鍛件成形。

圖4 鍛件成形過程速率場

2.3 鍛造載荷變化

圖5 鍛造載荷曲線

圖5為從制坯到終鍛過程中鍛造載荷的變化曲線。從曲線可以看出，制坯工步載荷在后期有較大的上升，最大時為6.9×106N，這是由于金屬后期和模具接觸后，溫度下降，摩擦力增大，變形抗力增加導致曲線變陡。

沖孔開始后，變形抗力下降，是由于沖頭與金屬接觸面積小，使得同樣的壓力下，作用在金屬上的壓強很大，很容易使沖頭沖入金屬；后期載荷有波動，這是由于沖頭沖入到一定的深度后，金屬受到模壁，沖頭及墊模的作用，鍛件內(nèi)部，特別是鍛件下段金屬流動方向紊亂（第210步速率場圖），導致載荷波動，待金屬基本充滿墊模兩側(cè)時，流動方向趨于一致，下部金屬溫度降低，受到?jīng)_頭、模壁及墊模的摩擦影響，載荷急劇增大，到終鍛時增大到1.33×107N，此時鍛件終鍛完成。

3 生產(chǎn)驗證

根據(jù)以上模擬結(jié)果，進行生產(chǎn)實際驗證。鍛件材料45鋼，燃氣爐加熱，在3t電液錘上鍛造，生產(chǎn)過程按上述工藝流程進行。

鍛件下料規(guī)格?210×365，下料重量98kg。始鍛溫度1200℃，坯料加熱到始鍛溫度，直接放入預鍛模具內(nèi)上砧鐓粗，成形凸緣部分；出模后重新加熱到1200℃，預鍛坯放入終鍛模具，加導向套和沖頭下壓，鍛件燜型完成后，將模具和鍛件翻轉(zhuǎn)置于墊圈上，加小沖頭沖通孔，同時退出正向沖頭，鍛件出模，及時正火處理轉(zhuǎn)加工工序。圖為6成形鍛件。

圖6 成形鍛件

經(jīng)過生產(chǎn)驗證，以上所設(shè)計的十字頭銷胎模鍛工藝方案是可行的，鍛件尺寸余量符合加工要求，充型良好，表面光潔，內(nèi)孔無裂紋及偏孔缺陷，相比自由鍛，單件可以節(jié)省原材料41kg。

4 結(jié)論

（1）十字頭銷類深孔凸緣鍛件適合胎模鍛成形，采用胎模鍛有利于避免深孔成形時的各種缺陷，提高鍛件的整體質(zhì)量，減小加工余量，節(jié)約金屬，提高效率，鍛件內(nèi)部金屬流線完整。

（2）十字頭銷胎模鍛在制坯時，應(yīng)適當先將凸臺部分的坯料分配到凸緣部分，這樣有利于沖孔過程中金屬的拉伸效應(yīng)，使金屬的流動趨勢不變，易于充型。

（3）采用預鍛制坯和終鍛成形的胎模鍛工藝方案，可以鍛出符合設(shè)計要求的鍛件，鍛件下料尺寸要接近預鍛模具的模堂尺寸，這樣才能更好的在預鍛制坯階段按設(shè)計分配坯料。

（4）十字頭銷內(nèi)孔直徑小，深度大，沖孔時，沖頭的溫度極易升高，沖頭磨損嚴重，為了保證沖頭的硬度，宜選用50CrMnMo等紅硬性較高的材料。