定扭螺母壳体精密锻造的设计分析

2019-03-01高桂堂王夕锋邓正友诸城市义和车桥有限公司

锻造与冲压 2019年3期

文／高桂堂，王夕锋，邓正友·诸城市义和车桥有限公司

定扭螺母壳体（图1）是用于组装轮毂轴承的重要配件，对于锻件精密度的要求非常高，锻件的表面质量及形位公差需要严格控制，整体锻件精度达到二级。这对锻造工艺、模具的加工精度及粗糙度等方面提出了严峻的考验。我们在接到客户的开发需求后，合理地设计了工装模具，通过试验尝试、不断优化，最终成功开发出外观好、精度高的锻件产品。

图1 定扭螺母壳体毛坯图

产品分析

该定扭螺母壳体产品的12个齿形的平面度要求为0.04mm，齿形角度偏差±15′，且一致性要求高，尺寸精度要求严格，锻造拔模斜度小，根据产品的特点，决定选用闭式模锻工艺，保证产品锻造精度。

设备吨位及下料计算

通过锻件三维造型确定锻件的重量为1.638 kg，最大投影面积为12277mm2，根据螺旋压力机设备吨位计算公式：

其中，P-螺旋压力机公称压力（kN）；k-系数，当热锻或精锻时，k取80kN/cm2；S-锻件最大投影面积；q-变形小的精锻取1.6。

通过计算，锻打该锻件所需的最小设备吨位为6138kN，由于该闭式模锻需要具备顶出装置，所以根据我厂实际情况，选用10000kN公称压力的电动螺旋压力机。根据锻件三维造型重量及锻件最大面的截面积，计算得知让锻件完全充满型腔的下料规格为：直径φ60mm，长度71.5mm。锻件三维造型见图2。

图2 锻件三维造型

图3 成形过程模拟

成形过程模拟

借助DEFORM-3D软件对定扭螺母壳体产品进行锻造成形工艺模拟，如图3所示。为简化模型取产品1/12进行模拟，定扭螺母壳体是一个闭式模锻成形产品，成形一共需要两个成形工序，从仿真的角度应该至少需要以下5个工序：

工序1：空气传热过程，是从炉子到压力机的传送过程，时间为7s；

图4 圆形模座

工序2：下模上的停留，时间为0.7s；

工序3：坯料镦粗预锻成形，将高度从71.5mm镦粗至45.5mm，同时去除氧化皮；

工序4：传送到终锻模过程，时间为3s；

工序5：终锻成形。

模具设计

模座设计

根据定扭螺母壳体的尺寸轮廓特点，决定选用圆形模具，需重新设计圆形模座，模座设计如图4所示。通过设备吨位及设备的上下行程距离，确定圆形模座的高度及大小，设备要求的最小闭模高度为700mm。

成形模设计

成形模具设计的关键点在于：

⑴上下模的内部合模间隙，控制在0.1～0.15 mm，外部合模间隙控制在0.4～0.6mm。

⑵上模的冲头与下模的肩部间隙控制在锻件尺寸的下公差以上，取0.5mm；凸模的肩部厚度控制在15mm以上，此处设计为18mm；考虑到锻件料温及下料长度的误差，将多余的料转移到可以后续加工的位置上。

⑶为了安装模具方便，在上、下模上分别设置2个起吊孔；上、下模的底部设置7°的凸台，便于压圈将模具固定于模座。

具体设计方案如图5所示。

图5 成形模

顶出装置设计

⑴顶出装置在设计时需考虑顶料平台到锻件的下端距离。考虑顶料装置的顶出行程为120mm，而锻件的顶出高度要求不能超过40mm，在设计时将顶料杆（图6）分为两部分，其中两个顶料杆的间隙控制在90mm，还需保证顶料杆不能将模具顶出。

图6 顶料杆

⑵上顶料杆与顶料孔的间隙。上顶料杆在设计时需设计导向部分，尺寸要求长度在30～50mm之间，考虑到材料的热膨胀问题，导向段顶杆直径公称尺寸比孔径小0.3～0.4mm，杆部外径规定负偏差记-0.05mm，孔选正偏差+0.05mm。

⑶顶料杆承重部分间隙考虑到不至于使金属锻打时挤入顶料孔，设计为双边0.1mm以内。顶料杆顶料部分直径与冲孔连皮直径相同，防止因顶料痕迹影响锻件外观。

冲孔工装设计

锻件成品的冲孔连皮厚度为10mm，设计冲孔模具时，设计的关键点有两个方面：一是控制凸模与凹模的冲孔间隙，间隙设计为0.1mm，不至于使毛刺外露影响外观；二是需设计挡料装置，在设备回程时，使卡在冲头上的锻件能自动掉落。冲孔模总装图如图7所示。

表1 齿形高度抽样测量数据（单位：mm）

图7 冲孔模总装图

图8 产品实物

存在的问题及改进措施

锻打出的成品为方便后续工序加工，热处理采用退火工艺降低锻件的切削硬度，但在热处理的过程中，锻件会产生一定的变形，影响了齿形的平面度精度。我们对锻打的产品随机挑选5件分别测量了齿形高度。测量数据见表1。产品实物如图8所示。

存在的问题与不足：1）锻件表面有氧化皮，影响锻件表面质量；2）锻打时，锻件由于模具的表面粗糙度和上模拔模斜度的问题，工件会抱死在上模，很难取下；3）锻件齿形的平面度在0.05～0.1mm之间，没有达到标准要求的0.04mm；4）抛丸后由于钢砂直径太大，导致锻件表面不光滑，达不到使用标准的粗糙度要求。

整改措施：1）控制锻打温度在830～880℃；2）锻打毛坯时镦粗去掉氧化皮；3）终锻前蘸水去掉氧化皮；4）下模斜度由原来的2°改为0.5°；5）上模斜度由5°改为8°；6）上模尖角改为R5圆弧；7）为方便工人师傅起件，将上模的圆形锁扣开4个槽；8）中间芯头部改为大圆弧面；9）在1000t液压机上增加精整工装。