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(yè)設(shè)備中常見零件，其種類豐富、形態(tài)各異，尤以端部臺階類銷軸最為常見，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備連接固定領(lǐng)域。端部臺階銷軸一般由大直徑原料經(jīng)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(huán)境惡劣的設(shè)備部件中，成本經(jīng)濟(jì)性不佳，既費(fèi)工費(fèi)時，又浪費(fèi)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(fèi)問題，然而鍛壓設(shè)備及模具選用是否得當(dāng)則在一定程度上影響著生產(chǎn)加工效率。傳統(tǒng)的鍛壓工藝采用煤爐加工工件，然后由電動空氣錘或機(jī)械式摩擦壓力機(jī)進(jìn)行鍛壓，這種熱鍛工藝采用的設(shè)備均為高能耗設(shè)備，機(jī)械柔性差，與其配套的模具設(shè)計使用較為困難，且存在噪聲、灼燙、機(jī)械傷害等危險因素，不利于節(jié)能環(huán)保和安全操作。感應(yīng)加熱設(shè)備清潔環(huán)保，加熱效率高，液壓機(jī)柔性好，安全高效，兩者結(jié)合則是熱鍛工藝中較為理想的加熱和鍛壓設(shè)備。細(xì)長型銷軸對鍛壓設(shè)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(xì)長臺階銷軸鍛壓時，壓入頂出困難、易出現(xiàn)偏壓、鍛壓精度差等加工難題，實現(xiàn)細(xì)長銷軸批量鍛壓加工，進(jìn)而實現(xiàn)降本增效目標(biāo)。

1 鍛壓設(shè)備

如圖1 所示，根據(jù)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的通用門式壓力機(jī)結(jié)構(gòu)，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(jī)構(gòu)，便于控制，千斤頂大小及行程根據(jù)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(jī)結(jié)構(gòu)

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 模具工作原理

如圖2 所示，模具由上胎模、下胎模、導(dǎo)桿3 個主要結(jié)構(gòu)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(jī)工作臺面上，雙導(dǎo)桿上方連接至上胎頂板，下方穿過壓力機(jī)工作臺面，提供導(dǎo)向作用，底部通過底托板進(jìn)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(dǎo)桿及頂針結(jié)構(gòu)將壓制成型的銷軸從下胎內(nèi)芯中頂出，實現(xiàn)銷軸端部壓制和頂出功能。

圖2 模具結(jié)構(gòu)

2.2 上胎模

上胎模由聯(lián)接座、上胎頂板、上胎連接板、上胎母座、上胎芯等結(jié)構(gòu)組成。千斤頂活塞桿端部通過英制細(xì)螺紋與聯(lián)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(lián)接座上，底部通過螺栓連接上胎聯(lián)接板，采用螺栓結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和上胎聯(lián)接板止口連接，使其不會向上、向下竄動，下端為錐形凹臺結(jié)構(gòu)，和下胎母座錐形凸臺配合使用，便于導(dǎo)向?qū)χ?，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(nèi)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(shè)計在下胎內(nèi)芯中，灼熱的銷軸經(jīng)鍛壓后，下胎內(nèi)芯中的銷軸存在熱脹冷縮現(xiàn)象，會出現(xiàn)熔融粘連問題，進(jìn)而致使頂出困難，因此，成型凹臺設(shè)計在上胎內(nèi)芯相比于設(shè)計在下胎內(nèi)芯中，更符合力學(xué)原理，更易于銷軸端部壓制成型并頂出。同時，上胎內(nèi)芯經(jīng)鍛造、調(diào)質(zhì)、淬火處理，強(qiáng)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(lián)接板、下胎母座、下胎芯、導(dǎo)向套、頂針、頂針螺柱等結(jié)構(gòu)組成。下胎聯(lián)接板通過螺栓連接固定至壓力機(jī)工作臺面上，工作臺面中心為兩級臺階狀結(jié)構(gòu)，下胎母座整體嵌入下胎聯(lián)接板中心，頂部為錐形凸臺結(jié)構(gòu)，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(nèi)芯設(shè)計為可拆卸的活動結(jié)構(gòu)，便于根據(jù)鍛壓銷軸尺寸要求進(jìn)行更換，擴(kuò)大模具應(yīng)用范圍，實現(xiàn)通用性。下胎內(nèi)芯為臺階結(jié)構(gòu)，靠空間配合裝配至下胎母座和導(dǎo)向套之間，也經(jīng)過鍛造、調(diào)質(zhì)、淬火處理，提高使用壽命，便于更換。導(dǎo)向套上部有固定臺階，便于安裝定位，下胎內(nèi)芯和導(dǎo)向套中心都有一個通長孔，其內(nèi)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(xì)長圓鋼結(jié)構(gòu)，其作用是隨導(dǎo)桿上升以頂出銷軸，頂針外徑比導(dǎo)向套內(nèi)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(diào)節(jié)頂針支撐高度，頂針插入導(dǎo)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(dǎo)向套中，便于頻繁往復(fù)操作。

3 操作步驟要點(diǎn)

（1）根據(jù)銷軸端部尺寸制作與其匹配大小的上胎內(nèi)芯、下胎內(nèi)芯、導(dǎo)向套，上胎內(nèi)芯凹臺預(yù)留圓弧倒角，便于臺階端頭成型，調(diào)節(jié)頂針螺柱支撐高度，保證銷軸端部露出下胎內(nèi)芯上部適當(dāng)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(dǎo)向桿底部仍有一定活動區(qū)間，頂針仍有一段尺寸留在導(dǎo)向套中，不至于滑出。

（2）利用感應(yīng)加熱爐將銷軸棒料一端局部長度加熱至900 ℃左右灼熱狀態(tài)，端頭加熱長度根據(jù)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(nèi)芯中，工作過程中全程用水對下胎進(jìn)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(dǎo)向桿底部行程上升到極限后，帶動底托板及頂針繼續(xù)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(tài)

（4）在壓制較大直徑銷軸時，可拆掉導(dǎo)向套、頂針結(jié)構(gòu)，用銷軸自身底部端頭為著力點(diǎn)，直接將其穿過下胎內(nèi)芯放置到頂針螺柱上，實現(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(yù)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(nèi)芯凹面臺階倒角預(yù)留尺寸不合適、銷軸棒料預(yù)熱溫度過高、上下胎模內(nèi)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(nèi)芯不同心、導(dǎo)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(jī)構(gòu)多，各活動機(jī)構(gòu)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(yùn)動偏差，尤其是在千斤頂缸體固定方面，優(yōu)先選用剛性連接機(jī)構(gòu)，在導(dǎo)桿制作方面，增大豎向運(yùn)動限位行程，避免運(yùn)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(yù)熱后出現(xiàn)熱脹、變形、彎曲等現(xiàn)象造成的，在壓制工作中，要用連續(xù)供應(yīng)的冷水對上下胎內(nèi)芯位置進(jìn)行不間斷冷卻，在棒料預(yù)熱時，根據(jù)臺階端頭的大小，僅預(yù)熱端頭一部分位置，避免通長整體預(yù)熱，同時控制預(yù)熱溫度，保證頂針支座高度與位置調(diào)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(tuán)有限公司裝備制造分公司是集煤礦機(jī)電設(shè)備制造、維修為一體的現(xiàn)代化企業(yè)，公司制造維修的礦車、支架、皮帶機(jī)、刮板機(jī)等常規(guī)產(chǎn)品中大量使用各種規(guī)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(shè)計制作了一種胎模液壓機(jī)，利用液壓支架調(diào)試用乳化液泵產(chǎn)生的富余水壓為動力，采用本設(shè)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(chǎn)加工臺階銷軸數(shù)百件，平均每年可節(jié)約材料消耗100 余萬元，降本增效成果顯著。

6 結(jié)語

本設(shè)計立足生產(chǎn)加工實際，根據(jù)細(xì)長臺階銷軸加工尺寸要求自主設(shè)計制作而成，操作便利、高質(zhì)高效、節(jié)能環(huán)保、通用性強(qiáng)，同時可根據(jù)實際需要進(jìn)行改造加工，例如可將上胎內(nèi)芯設(shè)計成半球面結(jié)構(gòu)，即可進(jìn)行鉚釘制作加工，將上胎內(nèi)芯設(shè)計成方形結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)方頭螺栓加工等。該模具充分發(fā)揮了模鍛工藝在大批量銷軸生產(chǎn)中的突出優(yōu)勢，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)社會價值，為如何充分利用企業(yè)現(xiàn)有資源，創(chuàng)新提升生產(chǎn)加工能力提供了新思路。