臺階銷軸端頭鍛壓加工模具研制

李家印，劉治層

（河南龍宇能源股份有限公司裝備制造分公司，河南商丘 476600）

0 引言

銷軸是工業設備中常見零件，其種類豐富、形態各異，尤以端部臺階類銷軸最為常見，廣泛應用于機械設備連接固定領域。端部臺階銷軸一般由大直徑原料經車削加工而成，這種加工工藝加工出的銷軸雖然表面光潔度與尺寸精度高，但用于一些精度要求較低、安裝配合間隙較大、工作環境惡劣的設備部件中，成本經濟性不佳，既費工費時，又浪費了大量原材料。利用熱鍛工藝加工端部臺階類銷軸避免了材料浪費問題，然而鍛壓設備及模具選用是否得當則在一定程度上影響著生產加工效率。傳統的鍛壓工藝采用煤爐加工工件，然后由電動空氣錘或機械式摩擦壓力機進行鍛壓，這種熱鍛工藝采用的設備均為高能耗設備，機械柔性差，與其配套的模具設計使用較為困難，且存在噪聲、灼燙、機械傷害等危險因素，不利于節能環保和安全操作。感應加熱設備清潔環保，加熱效率高，液壓機柔性好，安全高效，兩者結合則是熱鍛工藝中較為理想的加熱和鍛壓設備。細長型銷軸對鍛壓設備及模具精度要求較高，本文旨在研究一種通用鍛壓模具，解決細長臺階銷軸鍛壓時，壓入頂出困難、易出現偏壓、鍛壓精度差等加工難題，實現細長銷軸批量鍛壓加工，進而實現降本增效目標。

1 鍛壓設備

如圖1 所示，根據生產需求自制加工，由底座、立柱、頂梁、工作平臺拼焊成“日”字形方框結構的通用門式壓力機結構，將液壓千斤頂居中置于頂梁中部固定，缸筒及頂部采用剛性連接方式，消除活動間隙，保證豎直度，選用高壓水為動力，工作壓力20 MPa，以手動液壓換向閥為控制機構，便于控制，千斤頂大小及行程根據銷軸加工情況靈活選用，只要保證足夠的動力儲備和動作行程即可。

圖1 門式壓力機結構

2 模具結構設計

2.1 模具工作原理

如圖2 所示，模具由上胎模、下胎模、導桿3 個主要結構組成，上胎模固定到千斤頂活塞桿端部，下胎模固定至壓力機工作臺面上，雙導桿上方連接至上胎頂板，下方穿過壓力機工作臺面，提供導向作用，底部通過底托板進行連接。工作時，操作液壓閥使上胎模跟隨千斤頂活塞桿向下伸長，壓制成型后，反向操作液壓閥使活塞桿向上收縮，帶動導桿及頂針結構將壓制成型的銷軸從下胎內芯中頂出，實現銷軸端部壓制和頂出功能。

圖2 模具結構

2.2 上胎模

上胎模由聯接座、上胎頂板、上胎連接板、上胎母座、上胎芯等結構組成。千斤頂活塞桿端部通過英制細螺紋與聯接座連接，保證良好的防振防松性能，利用剛性連接消除活動間隙，保證鍛壓精度。上胎頂板頂部通過螺栓連接至聯接座上，底部通過螺栓連接上胎聯接板，采用螺栓結構連接，便于配件更換、安裝與檢修。上胎母座頂部嵌入上胎頂板中，中部通過臺階結構和上胎聯接板止口連接，使其不會向上、向下竄動，下端為錐形凹臺結構，和下胎母座錐形凸臺配合使用，便于導向對中，同時上胎母座錐面長度略小于下胎母座，便于向下壓制到位。上胎內芯通過螺栓連接至上胎母座中，底部有凹臺，用于銷軸端部臺階壓制成型。若將成型凹臺設計在下胎內芯中，灼熱的銷軸經鍛壓后，下胎內芯中的銷軸存在熱脹冷縮現象，會出現熔融粘連問題，進而致使頂出困難，因此，成型凹臺設計在上胎內芯相比于設計在下胎內芯中，更符合力學原理，更易于銷軸端部壓制成型并頂出。同時，上胎內芯經鍛造、調質、淬火處理，強度高，壽命長，采用螺栓連接，便于更換。

2.3 下胎模

下胎模由下胎聯接板、下胎母座、下胎芯、導向套、頂針、頂針螺柱等結構組成。下胎聯接板通過螺栓連接固定至壓力機工作臺面上，工作臺面中心為兩級臺階狀結構，下胎母座整體嵌入下胎聯接板中心，頂部為錐形凸臺結構，便于和上胎母座配合，下部有止口臺，連接固定至工作臺面中，將下胎母座和下胎內芯設計為可拆卸的活動結構，便于根據鍛壓銷軸尺寸要求進行更換，擴大模具應用范圍，實現通用性。下胎內芯為臺階結構，靠空間配合裝配至下胎母座和導向套之間，也經過鍛造、調質、淬火處理，提高使用壽命，便于更換。導向套上部有固定臺階，便于安裝定位，下胎內芯和導向套中心都有一個通長孔，其內徑比銷軸原料外徑大0.5～1 mm，便于銷軸棒料豎直壓入并頂出。頂針為細長圓鋼結構，其作用是隨導桿上升以頂出銷軸，頂針外徑比導向套內孔小0.5 mm 左右，底部通過頂針底座固定放置到底托板上，頂針螺柱能夠調節頂針支撐高度，頂針插入導向套中，保證在向下壓制到限位后，頂針頂部任有一部分長度留在導向套中，便于頻繁往復操作。

3 操作步驟要點

（1）根據銷軸端部尺寸制作與其匹配大小的上胎內芯、下胎內芯、導向套，上胎內芯凹臺預留圓弧倒角，便于臺階端頭成型，調節頂針螺柱支撐高度，保證銷軸端部露出下胎內芯上部適當尺寸，使其剛好能夠熱鍛出所需的臺階大小，同時保證在底托板接觸到支座后，導向桿底部仍有一定活動區間，頂針仍有一段尺寸留在導向套中，不至于滑出。

（2）利用感應加熱爐將銷軸棒料一端局部長度加熱至900 ℃左右灼熱狀態，端頭加熱長度根據銷軸棒料直徑與臺階大小確定，一般以50 mm 長度為宜，利用工具鉗將其夾住并插入下胎內芯中，工作過程中全程用水對下胎進行冷卻。

（3）操作液壓閥手柄使千斤頂活塞桿向下伸長將銷軸壓制成型，再抬起上胎模，待導向桿底部行程上升到極限后，帶動底托板及頂針繼續向上動作，將鍛壓成型的銷軸頂出一定長度后，用工具鉗將其取出，即可完成鍛壓（圖3）。

圖3 模具工作狀態

（4）在壓制較大直徑銷軸時，可拆掉導向套、頂針結構，用銷軸自身底部端頭為著力點，直接將其穿過下胎內芯放置到頂針螺柱上，實現鍛壓頂出。

4 模具常見故障分析

（1）銷軸棒料難以插入下胎模中。造成該故障的主要原因是下胎模內芯孔徑與棒料外徑配合過度緊密、棒料端頭有飛邊毛刺、棒料彎曲或圓度較差等。為保證壓制效果，下胎模內芯與銷軸棒料的配合間隙保證在0.5～1 mm 最為適宜，這樣既能保證壓制頂出順暢，還能避免過大間隙造成的偏斜。

（2）壓制的臺階端頭存在飛邊毛刺。造成該故障的主要原因是銷軸鍛壓時頂部預留尺寸過少，臺階無法成型，反之則容易造成飛邊毛刺。另外，上胎內芯凹面臺階倒角預留尺寸不合適、銷軸棒料預熱溫度過高、上下胎模內芯配合間隙過大等也會造成不同程度的飛邊毛刺問題。

（3）壓制的臺階端頭與棒料不同心。造成該故障的主要原因是上下胎模內芯不同心、導桿配合間隙過大、上下胎模水平度偏差過大等。由于模具動作機構多，各活動機構存在配合間隙，為保證壓制精度，在制作過程中，盡量減少豎向運動偏差，尤其是在千斤頂缸體固定方面，優先選用剛性連接機構，在導桿制作方面，增大豎向運動限位行程，避免運動間隙，保證壓制時的同心度。

（4）壓制后的臺階銷軸難以頂出。該故障主要是由于銷軸預熱后出現熱脹、變形、彎曲等現象造成的，在壓制工作中，要用連續供應的冷水對上下胎內芯位置進行不間斷冷卻，在棒料預熱時，根據臺階端頭的大小，僅預熱端頭一部分位置，避免通長整體預熱，同時控制預熱溫度，保證頂針支座高度與位置調整適宜，再輔以工件鉗等工具夾持，方便成型銷軸頂出。

5 使用實例

永城煤電控股集團有限公司裝備制造分公司是集煤礦機電設備制造、維修為一體的現代化企業，公司制造維修的礦車、支架、皮帶機、刮板機等常規產品中大量使用各種規格尺寸銷軸，這些銷軸大多對材料與尺寸精度要求較低。該公司自主設計制作了一種胎模液壓機，利用液壓支架調試用乳化液泵產生的富余水壓為動力，采用本設計所述的模具鍛壓直徑50 mm 以下各類臺階銷軸，平均每個工作日可生產加工臺階銷軸數百件，平均每年可節約材料消耗100 余萬元，降本增效成果顯著。

6 結語

本設計立足生產加工實際，根據細長臺階銷軸加工尺寸要求自主設計制作而成，操作便利、高質高效、節能環保、通用性強，同時可根據實際需要進行改造加工，例如可將上胎內芯設計成半球面結構，即可進行鉚釘制作加工，將上胎內芯設計成方形結構，即可實現方頭螺栓加工等。該模具充分發揮了模鍛工藝在大批量銷軸生產中的突出優勢，創造了極大的經濟社會價值，為如何充分利用企業現有資源，創新提升生產加工能力提供了新思路。