双孔内六角压块闭式挤锻工艺及模具设计

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双孔内六角压块闭式挤锻工艺及模具设计
闭式挤锻技术是近年来逐渐研制和推广应用的一项新型模锻工艺［1］。其基本原理是在封闭的型槽中，采用上下两个模具对毛坯进行镦粗—挤压成形。它可使毛坯在一次加热和锻压设备一次行程中获得形状复杂的无毛边锻件，尺寸精度及材料利用率显著提高，同时省去了锻后的切边工序，大大地降低能耗，生产率也随之提高。
% n2 z! \+ j  h# p    1　工艺分析及锻件图制订
    双孔内六角压块是自动扶梯中的重要零件，其形状及尺寸如图1所示。材料为42CrMo合金结构钢，形状复杂，产品质量要求高。从零件形状分析可知，其中双孔内六角无法进行加工，唯一的方法是采用闭式挤锻工艺才能制成。

) Q; w, p, I* o5 ]! L) D                                                                图1　双孔内六角压块零件图
0 ]8 i8 j2 E, q3 N! D: l1 `    闭式挤锻工艺的生产流程：下料→感应加热→闭式挤锻。其成形特点是在一火中闭式挤锻而成。
    闭式挤锻的应用方式有两种：一是采用专用的双动模锻设备(双动螺旋压力机或双动热模锻压力机)；二是在通用锻压设备上采用专用的模具装置。后者具有设备投资低、模具成本小、周期短及收效快等优点。
, d2 A- C: [  v! A2 P4 V  _5 B) M    闭式挤锻生产过程、工艺规范制订、模具设计、锻件检验及锻模制造等都离不开锻件图。设计锻件图时应考虑解决下列问题：
' X8 ?& n! h# Y    (1)确定分模面位置
1 J' A- s4 X8 @: m# N    为使锻件容易从锻模中取出，并要求获得镦粗挤压充填成形的良好效果，同时考虑到开模时锻件留在可浮动的凸模上，因此，按该双孔内六角压块的复杂形状，锻件分模面的选择应是图2中的粗黑线。
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: F: w0 R2 h5 u0 b2 w3 }                                                                   图2　双孔内六角压块锻件图
6 {$ e; n1 i5 H) k% ^' T. e& L3 p   (2)余量、公差及敷料
    因该压块零件下端的两个孔径较小(φ16mm)，不便成形，可加放敷料成为盲孔锻件，但必须成形上端的两个六角内孔，并保证其高度h=10mm；还要考虑到，当毛坯下料尺寸及所计算的毛坯体积偏大时，则在变形金属充满模具型槽后，多余的金属就贮存在这两个圆形孔的变化高度上。该压块内外表面都能达到尺寸精度的要求。余量及公差查阅手册。
   (3)模锻斜度
    压块零件的四侧外壁形状都有斜度，便于从凹模内脱出。闭式挤锻后，因锻件上端双孔内六角包紧在凸模上，故需设计从凸模上脱下锻件的装置。
   (4)圆角半径
3 }# L4 i" \# I) X2 J    锻件尖角处的圆角半径直接影响着挤锻时的金属流动、型槽充满、挤锻成形压力、模具磨损和锻件转角处流线切断等，应按该压块零件的尺寸查阅手册，合理选取。
    根据以上所得数据，绘制出双孔内六角压块锻件图(见图2)。
    按锻件尺寸计算所需的体积及考虑金属最小阻力定律，应选用矩形截面毛坯，其长、宽、高尺寸为75mm×40mm×28mm。
3 O, A; C, _8 l7 N  v  d0 I    2　闭式挤锻及其模具设计［1，2]
; |$ U6 o. o$ w5 D; P    为延长锻模寿命，提高锻造精度，吸收多余的打击能量，减少振动，故采用浮动两孔圆形凸模的闭式挤锻模具结构，如图3所示。
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; n! j2 D" X( c% x5 Y& T                                                                   图3　闭式挤锻模具结构图
    1.上模板　2,13.上、下垫板　3.碟形弹簧　4.浮动凸模　5,10.上、下模座　6.导柱及导套7.上模镶块　8.凹模　9.凹模压板　11.下模镶块　12.下顶杆　14.锻件　15.螺旋弹簧
  t+ s1 v' M$ D6 y1 z8 B7 O     双孔内六角压块的模具型槽由浮动凸模4?上模镶块7、凹模8、下模镶块11和下顶杆12组成。浮动凸模4在上模座5内，并有数组强力的复合碟形弹簧3支承着，构成带背压装置的浮动闭式挤锻模具。如毛坯下料尺寸及所计算的毛坯体积偏大，则在变形金属充满型槽后，多余的金属使因受碟形弹簧3承压着的浮动凸模4向上移动，即增加了锻件盲孔的高度尺寸。当压力机滑块回程后，锻件内六角孔包紧在浮动凸模4上并一起向上移动，脱离凹模8，并在浮动凸模4向上移动过程中，因它受到上下两面的两种弹簧压力差而发生抖动，这样使锻件14从浮动凸模4上脱离，取出锻件。有时，如因某种原因，锻件留在凹模8内时，则可通过下顶杆12顶出(设有气缸顶出装置)。为减少凸、凹模错移及便于模具调整，采用导柱及导套6把上模座5和下模座10联在一起。
2 ?2 F) L8 Y6 b; x- N, e, O( [1 s    将毛坯置于感应加热炉中加热到1150℃。挤锻工艺前需用特殊结构的煤气喷嘴将模具预热到200～250℃。
    为了减少模具型槽表面磨损和金属流动阻力，以及使锻件易于从型槽内脱出，在挤锻过程中采用水基石墨作为润滑剂。
3 C+ o: {% E5 r* A$ f    模具的主要工作零件采用4Cr5W2VSi热作模具钢，热处理硬度为HRC48～50，型槽表面软氮化处理后的硬度为HRC50～52。
    3　模具结构设计的基本要求
2 Z8 z9 j& }+ u9 T; h- C1 D, o    按双孔内六角压块锻件的尺寸计算所需的闭式挤锻力并考虑模具的闭合高度，现选用3000kN摩擦压力机。
    上述闭式挤锻工艺生产过程中表明，模具结构设计还应当满足下列基本要求：
% s) A- Q; v  \7 a6 l   (1)要获得较高的尺寸精度，应保证上模座对下模座能很好地导向；
   (2)保证凸模与凹模之间的同轴度；
   (3)要使模具有足够的强度，就必须保证上、下模具有足够的承击面积；
   (4)模具紧固可靠，更换迅速，调整方便；
   (5)在保证碟形弹簧支承刚性的情况下，便于单独调整浮动凸模的高度；
, ~" E" Q& ^+ B4 O# V, J   (6)锻件下顶出装置的可靠性；
. u! B3 t! v- R2 Z9 @   (7)模具冷却措施的可能性；
   (8)操作工人能自由和安全地接近挤锻区域，并便于维护；
   (9)挤锻工艺自动化的可能性。
% w/ |6 }' Z2 R    4　应用效果及技术经济分析
# W& e$ }6 q0 \. t4 l. s( Z. C    用新工艺挤锻双孔内六角压块锻件，解决了该产品多年来存在的制造问题。42CrMo合金结构钢毛坯在感应电加热炉中加热，并在3000kN摩擦压力机上仅用一个镦粗—挤压工步完成。
6 V: F! A) Y& S  e+ X$ b    按新工艺挤锻出的锻件尺寸精确，四周边角充填丰满，表面平整，金属流线方向与锻件的轮廓形状一致，能显著提高产品的力学性能。该模具的优点是结构和紧固较简单，能自由地把加热毛坯装入凹模内，并可方便地将锻件从模具型槽中取出。
    该压块锻件按年产量100万件计算，每个锻件的材料可节省0.2kg，则每年节约材料200t，减少毛边的加热能耗10万度，折合节约费用约80多万元。
1 L/ ^1 ~( `3 U    5　结论
    闭式挤锻工艺是生产成批锻件的一种行之有效的方法，可提高模锻复杂形状零件的能力，从而减少机械加工工时、节约材料、降低能耗、提高生产率，达到降低锻件成本的最终目的。因此，闭式挤锻工艺的前景非常广阔，为今后各行业大批量生产锻件提供了很好的途径。

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