眼形鉤類索具輥鍛模具設(shè)計淺析
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輥鍛是借助輥鍛機(jī)的一組或多組反向旋轉(zhuǎn)的輥鍛模具，使通過的金屬坯料擠壓產(chǎn)生塑性變形，從而得到所需鍛件或鍛坯的塑性成形工藝，是成形軋制(縱軋)的一種特殊形式。針對眼形鉤類產(chǎn)品，采用輥鍛制坯，就是充分利用輥鍛連續(xù)局部塑性變形的特點(diǎn)，制造預(yù)成形坯料，有效降低材料消耗、提升產(chǎn)成品鍛造質(zhì)量，從而降低模鍛設(shè)備的噸位，進(jìn)一步降低設(shè)備的功耗。我公司現(xiàn)有各類眼形鉤類索具100余個類別，涉及G80、G100索具產(chǎn)品500余個規(guī)格，面對公司產(chǎn)品規(guī)格種類眾多、生產(chǎn)效率低、交貨周期長、工人操作負(fù)擔(dān)大的缺點(diǎn)，我們通過對不同規(guī)格和類別的眼形鉤類索具進(jìn)行論證和模擬分析，最終確定采用自動輥鍛機(jī)制坯替代空氣錘自由鍛制坯，有效解決了生產(chǎn)瓶頸。
一、輥鍛成形設(shè)計原理
輥鍛是在坯料的局部區(qū)域，通過擠壓使坯料連續(xù)變形的塑性加工工藝。加工時，兩鍛輥的軸心線平行，旋轉(zhuǎn)方向相反，輥鍛后根據(jù)截面積的變化，使坯料沿徑向拔長，如圖1所示。眼形鉤類索具是我司特色產(chǎn)品，普通鍛造材料利用率低，坯料在模腔放置不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)撕裂、缺材、斷裂等缺陷。因此，通過采用輥鍛制坯，有利于一次成形，以達(dá)到省力鍛造和提高材料利用率的目的。
二、眼形鉤類索具輥鍛模具設(shè)計
1模具設(shè)計步驟
⑴設(shè)計產(chǎn)品毛坯圖(圖2)和坯料預(yù)制成形圖(圖3)；⑵確定輥鍛模具所需道次；⑶選擇輥鍛模膛系；⑷各道次模膛設(shè)計和縱向尺寸計算；⑸數(shù)控加工成形模具及裝車驗證。
2設(shè)計毛坯圖和坯料預(yù)制成形圖
根據(jù)毛坯圖，繪制坯料預(yù)制成形圖，坯料的每個橫截面面積F按下式確定：F=Fd+2KFf式中：Fd為鍛件橫截面積(mm2)，F(xiàn)f為飛邊槽橫截面積(mm2)，K為飛邊槽充滿系數(shù)。
3輥鍛模具所需道次確定
按照毛坯圖計算最大截面選定原始坯料尺寸后，按下式確定道次n：n=lnλs/lnλav；λs=F0/Fmin式中：λs為總延伸系數(shù)；λav為平均延伸系數(shù)，通常為1.4～1.6；F0為原坯料截面積；Fmin為輥鍛件最小截面積。本次采用的坯料直徑為35mm，截面積F0為961.6mm2，鍛件最小截面積為242.1mm2，代入公式可得：λs=961.6/242.1=3.97；n=ln3.97/ln1.4≈4.1。通過計算，最終確定道次為4是最適宜和最經(jīng)濟(jì)的，道次排列示意圖見圖4。
4選擇輥鍛模膛系
輥鍛模膛系的選擇要滿足以下要求：⑴滿足模鍛對輥鍛件截面形狀的要求；⑵根據(jù)價格和供貨情況選擇截面為圓形、方形或矩形等的材料為原始坯；⑶應(yīng)保證毛坯在模膛中有良好的穩(wěn)定性。根據(jù)我公司常規(guī)采用的熱鍛用材料，基本都是圓鋼棒料，因此，決定采用圓形模膛系。
5各道次模膛設(shè)計和縱向尺寸計算
根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格所需棒料的截面積、變形量和延展系數(shù)，我們可以確定每一道次模膛的截面積和長度。形狀和尺寸確定后，基于三維造型軟件對模膛截面進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，對各道模膛建立實(shí)體特征。通過UG軟件做出初次模具造型，經(jīng)模擬軟件對整個加工過程模擬，可以初步發(fā)現(xiàn)各種缺陷發(fā)生位置及失效形式，從而通過優(yōu)化控制成形產(chǎn)品的質(zhì)量。通過坯料在輥鍛進(jìn)程中模擬分析，我們發(fā)現(xiàn)第二道次容易出現(xiàn)飛邊，經(jīng)分析原因，由于第二道次設(shè)計的斜度較小，坯料在灌滿模腔后出現(xiàn)溢出，從而形成了飛邊。通過模擬，逐項修改模具截面積和模具角度，最終輥鍛模具設(shè)計如圖5所示。6數(shù)控加工成形模具及裝車驗證對模擬定型的模具造型，通過數(shù)控銑加工成最終的輥鍛模具，經(jīng)熱處理后安裝到自動輥鍛機(jī)上試車，見圖6。通過實(shí)踐驗證，輥鍛機(jī)制坯較為理想，坯料各尺寸符合設(shè)計要求，后續(xù)通過加工工序生產(chǎn)出來的產(chǎn)品完全符合圖紙要求，鍛件無缺材、折疊、斷裂等缺陷，同時材料利用率提升約5%，進(jìn)一步降低材料成本。
三、結(jié)束語
通過本次眼形鉤類索具輥鍛模具設(shè)計，公司實(shí)現(xiàn)了輥鍛模具從無到有。實(shí)踐表明，眼形鉤類索具采用輥鍛制坯，生產(chǎn)效率高，輥鍛機(jī)生產(chǎn)頻次快，可以連續(xù)工作，能與壓力機(jī)、模鍛錘相結(jié)合，適宜大批量生產(chǎn)，能有效減少壓力機(jī)和模鍛錘空行時間。輥鍛制坯形狀更精確，材料利用率更高，有效降低材料消耗、減少人工成本。產(chǎn)成品鍛造質(zhì)量好，鍛件徑向纖維組織完整，有效減少毛坯的折疊、斷裂、缺材現(xiàn)象。產(chǎn)品強(qiáng)度大，耐疲勞壽命高。輥鍛機(jī)采用轉(zhuǎn)動靜壓力，沖擊、振動和噪聲小，符合環(huán)境保護(hù)要求。因此，利用輥鍛生產(chǎn)眼形鉤類索具，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的新型鍛造生產(chǎn)方式。
作者:張體學(xué) 付善舉 張來星 秦威 劉運(yùn)斌 單位:山東神力索具有限公司