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1、特种机械中杆类零件的局部成形工艺及模具设计王浩， 胡治， 姚照云摘要：特种机械中关键、重要的杆类零件，大多是局部呈异形复杂形状的零件。由于特种机械的特殊性，对零件的机械能及结构尺寸要求较高，使用材料多为中炭钢以上的结构钢及合金结构钢。毛坯采用热塑性成形工艺，通常采用的是模锻工艺，成形难度低，生产效率高，但需要考虑较多的飞边预留量，并且切边后刃口影响机加夹持定位。为了提高毛坯的净化程度和降低生产成本，设计采用了一次加热同时完成局部镦粗再挤压成形的工艺。关键词：特种机械；杆类零件；局部成形Special machinery of rod parts of the local forming pro
2、cess and die designAbstract: Special mechanical main rod parts, mostly local shows special shaped components with complex shapes. Due to the particularity of special machinery, parts of mechanical energy and the size of the structure requirements were higher, used materials for carbon steel in struc
3、tural steel and alloy structural steel. Froging by hot plasticity forming process, Is commonly used in die forging, easy shaping, high production efficiency, but needed to consider more flash reserved amount, and after trimming edge effect machine clamping and positioning. In order to make the forgi
4、ngs simple and reduce the production cost, design use a heated while completing local upsetting extrusion process.Keywords: Special machinery; Rod parts;local forming;特种机械中的关键、重要零件为了保证其本身的机械性能多采用塑性成形工艺，特别是其中的一些异形的细长杆类零件通常采用模锻工艺，这种工艺效率高、成形难度低。但是该工艺需要考虑较多的飞边预留量，对于细长的异形零件来说，这就使材料分配和模具型腔设计的难度增大，材料利用率不高，
5、并且切边后锻件沿轴向会有一圈毛刺余根，杆部的圆度无法保证，增加了后续机加定位难度。我厂在生产该类型零件时采用了一种局部成形的工艺，通过工艺参数摸索和工装、模具设计，成功掌握了该工艺加工方法，实现量产并很好的沿用到其他类似零件的生产上。1. 尺寸设计及计算考虑到该工艺异形部位（局部）成形，毛坯设计时非成形的杆部可直接利用原料的状态。以某产品的机头体为例，毛坯图设计如图1所示。图1 机头体毛坯图Fig1 forging drawing零件材质选用25Cr2Ni4WA，其化学成分以及热处理后力学性能如表1、表2所示。表1 25Cr2Ni4WA化学成分（%）Table 1 chemical compo
6、sition of 25Cr2Ni4WA ( % )CMnSiCrNiW0.210.280.250.550.170.371.351.654.004.500.801.20表2 材料力学性能Table 2 the mechanical properties of the material抗拉强度/Mpa屈服强度/ Mpa伸长率/%断面收缩率/%冲击功/J1080930114571根据体积不变的原则，根据已设计的毛坯建立三位模型测出总体积，由于设计毛坯时坯料的直径大小（杆部直径）已经确定，这样就可以得到原料需要的长度，然后再在该长度基础上增加2-3mm的作为飞边余量，最终得到坯料下料长度。虽然坯料尺
7、寸计算很简单，但是控制尺寸极为重要，坯料少了造成挤压时充型不满，而坯料多了挤压时轻则飞边过厚切边困难，切边模寿命降低，重则挤压模具胀裂导致模具报废。2.工艺特点及难点该工艺最大的特点：原料只需一次局部（成形部分）加热，完成两次成形，最后清除飞边。我厂使用的设备是一台双工位的电热镦机和一台315T液压机，主要过程如图2所示。由于第一次镦粗时镦粗比k和高径比H/D较大，若采用普通的镦粗方式易使坯料产生失稳，导致纵向弯曲。为克服该问题，只能减少镦粗时材料的初始镦粗比和高径比，即k值和H/D比值。 下料 一次加热镦粗 二次挤压 切边 图2电热镦机工作部分由砧子缸、镦粗缸、夹持缸共同作用实现毛坯的镦粗过
8、程，如图3所示。工作时，夹块夹住坯料。坯料的右端被镦粗缸压向砧子缸，这时夹块与砧子成为变压器的两个点击。通电后，砧子之间的坯料A段产生低电压高电流，通过材料本身电阻的作用迅速被加热。当温度达到900-1150C时，在镦粗缸压力作用下，A段材料被镦粗，随着镦粗缸不断想做移动，A段被连续镦粗，直到镦粗缸达到预先设定的终止位置为止。电热镦粗能够一次镦粗细长杆件，是充分利用了金属变形不均匀，变形首先发生在变形抗力小的部位的金属变形规律。A加热变形区域镦粗运动方向V砧子运动方向V夹持缸（电极）砧子缸（电极）镦粗缸夹块夹紧分离 图3以某产品的机头体为例，该零件坯料规格选用的是15172mm，最终成形后总长
9、度为104mm，由于其中有83mm为非成形部分，因此可计算出成形部分的镦粗比k=（172-83）/（104-83）=4.24，高径比H/D=（172-83）/15=5.93mm。根据经验公式，高径比H/D2.5-3时，镦粗时坯料易产生失稳，导致纵向弯曲。为了获得后续挤压所需要的单鼓形、蒜头状零件，高径比H/D就必须控制在0.5-1.0之间。控制的方法是在电热镦粗初期，坯料镦粗的同时，砧子需要向左移动一端距离，该距离由限位块控制。固定砧子移动的目的就是减小初期变形镦粗时变形区域的高径比H/D。砧子缸的移动靠自身和镦粗缸的压力共同完成。利用电热镦机的双动特点（即砧子缸、镦粗缸可独立运动、调速），调
10、节双缸初始位置使开始时加热区域坯料长度符合公式要求，并调节V和V相对速度（VV）保证坯料加热的同时受力镦粗，最终达到坯料局部加热与第一次镦粗同时完成。该过程是整个工艺过程的重难点，镦粗后的形状直接影响后续挤压成形的质量，而要想镦出理想的形状必须掌握好电流与双缸速度之间的关系，若镦粗形状不理想可能造成挤压后缺肉、折叠等缺陷。镦粗后温度保持在1000-1200C，卸载后直接放入挤压模中采用正挤压挤压成形，取出切边后即得到需要的毛坯零件。3.挤压、切边模具设计挤压模具设计如图4所示，其工作原理为：将镦粗后的工件按图中填黑位置放入下模，上模下行接触坯件，并将其挤入下模型腔中形成需要的锻件形状，上模上行
11、顶杆顶出锻件即完成挤压过程。由于挤压过程属于热挤压，成形过程较锤上锻造速度慢，零件接触模具时间长，模具消耗较快，因此挤压模具采用了镶块式的设计。这里将整个下模部分拆分为下模、外模、垫块三个独立的模块，这样挤压中模具只消耗下模，外模和垫块起固定、限位作用，另外，模具拆卸搬运时也更加轻便，降低了工人的劳动强度。1.上模 2.下模 3垫块4.外模 5顶杆图4 模具结构图对于零件的切边工位设计，考虑若采用冷切，切边模磨损比较大；由于零件本身体积较小，挤压后热量散失较快，又无法直接进行热切，且热切容易导致毛刺过大；因此只有利用挤压后工件还有余温时（400C左右）进行温切综合效果最好。利用液压机工作台多余
12、的空间安装切边模，设计图如图5所示。图5 切边模结构图图中竖线右边为加装的切边模部分，采用弹性卸料，其工作原理与挤压模一样，因此挤压的同时完成切边。由于是同设备双工位，原操作压力机的操作者只需把挤压后的工件直接转到切边模上即可，不仅取消了单独的切边人员，也节省了一台专用于切边的压力机。4.有限元模拟挤压工序只是一个简单的正挤压过程，成形难度并不大。但为了便于工艺研究，依然采用了Deform-3D来分析变形过程的载荷变化，已确定挤压力的参考值。从图6中可见挤压载荷变化曲线明显分为3段：第1段，短暂时间内载荷急升了一小段，此时工件刚开始进入挤压模；第2段，这个阶段工件逐渐被挤入模具型腔中，金属自由
13、流动载荷上升的比较平缓；第3段，工件基本全部进入到型腔，坯料逐渐充满型腔转角处形成最终形态，多余的坯料堆积于上、下模之间被挤压成飞边变，飞边迅速变薄变形抗力增大，且此时零件温度降低较快，因此成形载荷急剧上升。由载荷行程曲线可知，最终载荷参考值177KN。图6 载荷时间曲线5.结论局部一次加热两次成形，工艺过程和模具都比较简单，能够很好的完成成形过程，得到充填完成、无折叠的锻件。根据有限元分析数字模拟，最终参考载荷为177KN。整个工艺的难点在于镦粗过程中，即材料镦粗的形状控制。另外影响批量生产质量的因素还有模具材料的选用，工件材料的力学性能也会影响成形所需的载荷。若材料热硬性不好，模具和砧子损
14、耗过快，不仅影响工件成形质量，频繁的更换也会影响生产效率。因此模具和砧子材料选用应兼顾热硬性与经济性两方面。经计算，该工艺相对以往的锤锻工艺原材料消耗大幅降低，单件消耗由0.337kg降低到0.238kg.，材料利用率提高到95.4%。由于采用的是局部加热成形，未加热的杆部部分没有成形飞边和变形，因此更利于后续加工的夹持定位。参考文献：1 胡亚民，华林. 锻造工艺过程及模具设计. 北京：中国林业出版社，北京大学出版社，2006.2 李春峰. 金属塑性成形工艺及模具设计. 北京:高等教育出版社，2008.3 王仲仁. 锻压手册. 北京:机械工业出版社，2004.4 胡建军，李小平. DEFORM-3D塑性成形CAE应用教程. 北京：北京大学出版社，2011.5 张莉，李升军. DEFORM在金属塑性成形中的应用. 北京：机械工业出版社，2009. 单位：重庆建设工业（集团）有限责任公司/CHONGQING JIANSHE INDUSTRY(GROUP)CO.,LTD 重庆市巴南区花溪工业园建设大道1号400054投稿时间：2012.8.30个人简介：王浩（1986），男，重庆，本科，助工，从事锻造、挤压方面工作。