于鳳銀，楊 巍，于鳳燕

（1.白銀有色集團(tuán)股份有限公司 裝備與自動(dòng)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(tuán)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(xì)長(zhǎng)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(tuán)股份有限公司 裝備與自動(dòng)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(tuán)股份有限公司 西北鉛鋅冶煉廠，甘肅 白銀 730900）

本文根據(jù)鍛造生產(chǎn)中的典型實(shí)例，論述基于自由鍛-空氣錘胎模鍛造細(xì)長(zhǎng)栓桿的方法，對(duì)細(xì)長(zhǎng)栓桿的鍛造胎模進(jìn)行設(shè)計(jì)，并闡述細(xì)長(zhǎng)栓桿胎模鍛造工藝過(guò)程，同時(shí)，針對(duì)鍛造生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析說(shuō)明，以便合理利用現(xiàn)有鍛造設(shè)備，解決設(shè)備不足對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)的影響。

自由鍛；細(xì)長(zhǎng)栓桿；胎模鍛造；工藝

在自由鍛設(shè)備上，利用胎模生產(chǎn)鍛造細(xì)長(zhǎng)栓桿的模鍛件，是相對(duì)較為困難的。細(xì)長(zhǎng)栓桿桿部直徑偏細(xì)，端部直徑大，鍛件整體長(zhǎng)度超出了自由鍛的鍛造范圍，屬于鍛造生產(chǎn)中的頂鐓鍛件，通常應(yīng)在頂鐓設(shè)備如模鍛機(jī)、平鍛機(jī)上鍛造生產(chǎn)[1]。但由于模鍛機(jī)、平鍛機(jī)價(jià)格相對(duì)昂貴，企業(yè)通常并沒(méi)有這類特殊鍛造設(shè)備；同時(shí)，適用于頂鐓設(shè)備的頂鐓模具設(shè)計(jì)復(fù)雜、加工制造成本高、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)。因而，在現(xiàn)有的自由鍛設(shè)備——空氣錘上，采用胎模鍛造方法生產(chǎn)細(xì)長(zhǎng)栓桿模鍛件，很有現(xiàn)實(shí)意義。本文以鍛造生產(chǎn)中的一個(gè)典型實(shí)例為代表，對(duì)基于自由鍛的細(xì)長(zhǎng)栓桿胎模鍛造法進(jìn)行了研究。生產(chǎn)實(shí)踐證明，該方法技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)適用，較大地提高了細(xì)長(zhǎng)栓桿的鍛造生產(chǎn)效率。

1 胎模鍛造法的特征

胎模鍛造是在自由鍛設(shè)備——空氣錘上，利用胎模模具生產(chǎn)鍛件的一種工藝方法。通常為自由鍛預(yù)鍛制坯，胎模終鍛造成形，適用于無(wú)特殊模鍛設(shè)備的鍛造企業(yè)進(jìn)行特殊鍛件的批量生產(chǎn)。

與常規(guī)自由鍛相比，胎模鍛造方法具有如下特征：①胎模模具的設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量和精度，保證了鍛造工件的形狀和尺寸。胎模鍛工藝對(duì)鍛造工人的技術(shù)要求不高，鍛造工的操作技術(shù)熟練水平，對(duì)胎模鍛造最終結(jié)果影響不大；其操作簡(jiǎn)便易行，生產(chǎn)效率高。②胎模鍛造的鍛件形狀準(zhǔn)確，尺寸精度較高；鍛件工藝余量小、加工富裕量少，能有效節(jié)約原材料，減輕精加工過(guò)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(nèi)部組織結(jié)構(gòu)細(xì)密，纖維分布更加符合鍛件的各種性能要求。

細(xì)長(zhǎng)栓桿鍛件產(chǎn)品圖如圖1所示，其特點(diǎn)為：總體長(zhǎng)度超長(zhǎng)，總長(zhǎng)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(zhì)A3鋼，產(chǎn)品技術(shù)要求為：鍛造后不加工、表面粗糙度Ra25。

2 胎模鍛設(shè)計(jì)方案理論分析

根據(jù)圖1所示鍛件特點(diǎn)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(chǎn)品的技術(shù)要求，同時(shí)選用400kg空氣錘作為自由鍛設(shè)備。

圖1 細(xì)長(zhǎng)栓桿產(chǎn)品圖

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)?30mm圓鋼鍛造坯料進(jìn)行局部加熱至溫度1250℃左右，坯料呈紅熱狀態(tài)，在自由鍛設(shè)備上，采用胎模鍛造方法，進(jìn)行坯料的端部鐓粗成形，完成細(xì)長(zhǎng)栓桿的鍛制過(guò)程。

根據(jù)鍛件局部鐓粗法則，細(xì)長(zhǎng)桿類鍛件的一次鐓粗成形條件為：變形長(zhǎng)度與桿部直徑比值應(yīng)小于3.2，否則必須經(jīng)過(guò)多次鐓粗才能成形。將細(xì)長(zhǎng)栓桿的變形長(zhǎng)度L0=72mm（可由端部尺寸?70mm×20mm、90°沉頭計(jì)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(xì)長(zhǎng)栓桿滿足一次鐓粗條件，不會(huì)產(chǎn)生桿部縱向鍛造彎曲，即：坯料端部的變形區(qū)，經(jīng)過(guò)空氣錘錘擊后，可以全部充滿胎模的型腔，而無(wú)坯料堆積歪斜現(xiàn)象發(fā)生，如圖2所示。

400kg空氣錘相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 細(xì)長(zhǎng)栓桿頭部鐓粗變形示意圖

表1 400kg空氣錘技術(shù)參數(shù)

細(xì)長(zhǎng)栓桿總長(zhǎng)度L=520mm，其剩余自由鍛造高度L1可由公式（2）計(jì)算得出：

代入計(jì)算得

圖3 空氣錘錘頭行程示意圖

由式（2）計(jì)算結(jié)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(xì)長(zhǎng)栓桿鍛造生產(chǎn)中，不僅上、下料困難、起模不便，而且錘擊力不夠，很難達(dá)到栓桿鍛件頂部鐓粗成形的預(yù)期結(jié)果。

在180mm自由鍛行程下，400kg空氣錘的錘擊力由公式（3）計(jì)算得出：

為了使細(xì)長(zhǎng)栓桿胎模鍛造過(guò)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(dá)到胎模鍛所需的范圍值。此時(shí)，由公式（3）計(jì)算得出，擴(kuò)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(xì)長(zhǎng)栓桿時(shí)，空氣錘有效行程不夠及錘擊力不足的問(wèn)題。

3 胎模設(shè)計(jì)及胎模鍛工藝過(guò)程

圖4 上胎模設(shè)計(jì)圖（單位：mm；材質(zhì)：5CrNiMo；淬火硬度：HRC42-46）

圖5 下胎模設(shè)計(jì)圖（單位：mm；材質(zhì)：45#鋼；淬火硬度：HRC42-46）

為減小鍛造過(guò)程中胎模的重量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，采用上、下胎模、自由鐓頭成形的設(shè)計(jì)方式，如圖4、5所示。上、下胎模均設(shè)計(jì)有R15mm的裝柄孔，以便安裝抬柄，便于上、下模脫模出件。同時(shí)，為確保細(xì)長(zhǎng)栓桿桿部鍛造尺寸公差符合產(chǎn)品技術(shù)要求，防止鍛造過(guò)程中因桿部過(guò)長(zhǎng)彎曲變形而導(dǎo)致栓桿鍛件脫模困難，在進(jìn)行栓桿坯料端部鐓粗時(shí)（L0尺寸范圍內(nèi)），坯料直徑應(yīng)與胎模?？壮叽缦嗟龋⒉捎脳U部底端面支撐定位的設(shè)計(jì)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(nèi)局部加熱，水冷栓桿其余桿部區(qū)域，以促進(jìn)栓桿快速鐓粗成形，桿部無(wú)彎曲變形現(xiàn)象發(fā)生。

3.1 上、下胎模的尺寸設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）上、下胎模采用直通孔?？自O(shè)計(jì)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(shí)，細(xì)長(zhǎng)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(nèi)孔尺寸設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)下胎模內(nèi)孔直徑為上?？字睆焦顬檎?，且略大于下?？椎闹睆焦顜Х秶?，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(xì)長(zhǎng)栓桿端部的鐓粗成形，上胎模高度尺寸應(yīng)略大于坯料的局部加熱鐓粗尺寸L0；同時(shí)，考慮胎模的易加工性，該高度尺寸設(shè)計(jì)為140mm。

3.2 胎模鍛的工藝過(guò)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(jiǎn)易焦炭加熱爐內(nèi)進(jìn)行局部加熱），坯料其余桿部區(qū)域水冷2～3分鐘。

圖6 細(xì)長(zhǎng)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(dòng)400kg空氣錘，開(kāi)錘鐓粗成形細(xì)長(zhǎng)栓桿鍛件的頭端部。抬起上胎模，移出鍛造成形的工件，進(jìn)行下一個(gè)細(xì)長(zhǎng)栓桿鍛件的胎模鍛造。至此，完成基于自由鍛的細(xì)長(zhǎng)栓桿胎模鍛造過(guò)程。

4 經(jīng)濟(jì)效益與勞動(dòng)生產(chǎn)效率的提高

基于上述方法鍛制細(xì)長(zhǎng)栓桿鍛件，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，表現(xiàn)為：①鍛造產(chǎn)品合格率顯著提高。據(jù)生產(chǎn)資料統(tǒng)計(jì)顯示：普通鍛件產(chǎn)品的合格率僅達(dá)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(jī)或模鍛機(jī)鍛制生產(chǎn)的產(chǎn)品，其合格率也往往僅在97%左右；而采用基于自由鍛的細(xì)長(zhǎng)栓桿胎模鍛造方法所鍛造產(chǎn)品，在坯料制備尺寸準(zhǔn)確可靠、坯料局部加熱尺寸范圍控制適當(dāng)?shù)臈l件下，所鍛造生產(chǎn)的3600根細(xì)長(zhǎng)栓桿鍛件全部合格，合格率達(dá)100%，并成為鍛件的免檢一級(jí)品工件。細(xì)長(zhǎng)栓桿鍛造產(chǎn)品外觀光滑，不產(chǎn)生毛刺和飛邊等鍛造缺陷。②顯著提高了鍛造工人的勞動(dòng)生產(chǎn)率?；谧杂慑懙募?xì)長(zhǎng)栓桿胎模鍛造，平均每5分鐘鍛造生產(chǎn)出一根合格的細(xì)長(zhǎng)栓桿產(chǎn)品，與普通鍛件相比，勞動(dòng)生產(chǎn)效率提高50%以上，基本達(dá)到了頂鐓機(jī)或模鍛機(jī)的生產(chǎn)效率水平。③顯著提高細(xì)長(zhǎng)栓桿鍛制的產(chǎn)值和產(chǎn)量。鍛造生產(chǎn)作業(yè)班（5名鍛造工人，其中包括一名司錘工）日工作7小時(shí)，鍛制生產(chǎn)細(xì)長(zhǎng)栓桿鍛件約400件，平均每班日產(chǎn)值達(dá)8000元，產(chǎn)量達(dá)到1280kg。相比于普通鍛件，鍛造產(chǎn)量和產(chǎn)值均有大幅度提高，約為45%左右。④生產(chǎn)費(fèi)用降低，節(jié)約鍛造成本。基于自由鍛的細(xì)長(zhǎng)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(jī)或模鍛機(jī)，生產(chǎn)鍛制相同數(shù)量的同種細(xì)長(zhǎng)栓桿，則需要三套相應(yīng)配套的模具。此外，由于制作模具材質(zhì)要求的特殊性，大部分模具都選用堅(jiān)固耐用的優(yōu)質(zhì)合金鋼，如5CrMnNi，模具加工制造成本高、加工工藝復(fù)雜，制作周期長(zhǎng)。對(duì)于本文所述的細(xì)長(zhǎng)栓桿3600件鍛造生產(chǎn)任務(wù)而言，采用基于自由鍛的細(xì)長(zhǎng)栓桿胎模鍛造方法，節(jié)約了六套模具，僅此一項(xiàng)，節(jié)約資金約15600元，極好地降低了鍛造的生產(chǎn)成本。

5 胎模鍛造過(guò)程中需注意的問(wèn)題

基于自由鍛的細(xì)長(zhǎng)栓桿胎模鍛造過(guò)程應(yīng)注意避免以下3個(gè)問(wèn)題：①利用鋸床或車(chē)床切割制備坯料，以避免坯料端面產(chǎn)生毛刺現(xiàn)象。坯料下料長(zhǎng)度應(yīng)嚴(yán)格控制在范圍內(nèi)，以避免鐓粗過(guò)程中栓桿頭端部未鐓滿悶實(shí)，出現(xiàn)鍛件頭部“缺肉”現(xiàn)象，或因坯料過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致坯料與錘擊方向垂直面傾斜，出現(xiàn)鍛件鐓歪現(xiàn)象。②坯料局部加熱尺寸必須控制在L0范圍內(nèi)，以避免胎模鍛造過(guò)程中，坯料“悶死”在模具內(nèi)無(wú)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(chǎn)品質(zhì)量和外觀尺寸。

6 結(jié)束語(yǔ)

在鍛造加工生產(chǎn)中，如果細(xì)長(zhǎng)栓桿頭部尺寸滿足鍛件的鐓粗法則，且栓桿長(zhǎng)度在自由鍛空氣錘錘頭的有效行程范圍內(nèi)，則可以采用自由鍛設(shè)備--空氣錘，利用胎模鍛造的方法生產(chǎn)鍛造細(xì)長(zhǎng)栓桿。運(yùn)用該方法鍛造生產(chǎn)的栓桿產(chǎn)品質(zhì)量，與采用頂鐓機(jī)、平鍛機(jī)或模鍛機(jī)鍛制的同類產(chǎn)品質(zhì)量等同，細(xì)長(zhǎng)栓桿鍛件無(wú)飛邊、毛刺等鍛造缺陷，鍛造的產(chǎn)品精度高、無(wú)需二次加工成形，可滿足該類產(chǎn)品的技術(shù)要求；同時(shí)，基于自由鍛的細(xì)長(zhǎng)栓桿胎模鍛造方法，具有生產(chǎn)效率高、胎模制作成本低，鍛造生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單易行，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

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

[2]田福祥，靳會(huì)洲．高強(qiáng)度螺栓冷擠鐓成形工藝及模具設(shè)計(jì)[J]．鍛壓裝備與制造技術(shù)，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(jí)工程師，從事鍛造工藝研究設(shè)計(jì)。E-mail:missiby@sohu.com