柱头锻造模具研制

2021-06-05王海彬张子明

山东煤炭科技 2021年5期

王海彬赵慧张子明

（辽宁通用重型机械股份有限公司，辽宁调兵山 112700）

1 问题提出

液压支架立柱千斤顶小柱头常规的制造工艺：圆钢料下料-粗加工-调质处理-半精加工-精加工。小柱头加工合格后再和小柱管、柱塞进行焊接，焊接合格后进行小柱的粗加工、精加工。按这个方法加工立柱小柱头质量有所保障，但由于小柱头直径尺寸不一样，通常都有台阶，需要直径相对粗的圆钢才能在粗加工时有车削加工余量，浪费原材料，生产加工周期长，不利于高效率生产，更不利于生产质量管理。小柱头生产周期长，使整个小柱就无法按工艺路线按时进行加工，甚至制约液压支架整个立柱生产周期，尤其是在液压支架制造工期短时严重制约液压支架生产制造周期，影响产品出厂时间，制约企业高速高质量发展。在保证小柱头质量前提下，缩短立柱小柱头的加工生产周期[1-5]是解决该问题的关键。

2 小柱头锻造模具设计

2.1 总体设计

在制造ZY5200-08/18 立柱时通过对立柱小柱头的使用功能、外形尺寸、各种加工方法进行分析，在保证不改变原柱头材质、强度下，采用模具锻造方法代替小柱头的粗加工，柱头加工工艺采用下料-锻造-调质-精加工的方法。图1 是小柱头锻造模具总图，图2 是小柱头锻造模具内部结构图。

图1 小柱头锻造模具总图

2.2 锻造模具内部尺寸

按照柱头精加工图纸绘制锻造半成品图纸，按照这个锻造半成品图纸尺寸进行柱头模具内部尺寸设计。按图3 柱头锻造图设计出的锻造模具，锻造出的柱头基本尺寸就可以满足调质处理前的图纸尺寸要求，柱头锻造后的半成品尺寸不能过大，否则对调质硬度有影响，同时也浪费原材料。根据锻造设备加工能力和锻造设备精度锻造模具的内部尺寸可以进行优化，再经过多次的实验，最终确定锻造模具内部尺寸。在保证锻造模具强度情况下，模具壁厚选择相对小会给锻造带来便利，因为模具重量越重对锻造越难，一般普通的锻造不仅对锻造工人技能有很高要求同时对锻造工人劳动体力要求很高，最终模具壁厚设计50 mm。

图2 小柱头锻造模具内部结构图

图3 柱头锻造图

2.3 出料口设计

考虑锻锤的锻造能力、锻锤精度等因素，考虑易锻性、锻造后的柱头容易出料，在保证锻造尺寸满足热处理尺寸的情况下，在锻造模具的下方设计开出料口。该出料口一是弥补锻锤吨位低带来的锻造能力低的问题；二是易于锻造出料、倒料；三是锻造气体排出口。锻造出料口的设计大小和锻造的圆弧过渡尺寸需要多次核对，多次试验才能得出合适的尺寸。最终确定出料口直径95 mm，并且出料口是圆滑过渡。这样既满足锻造要求，也满足调质处理前尺寸要求。

2.4 拔模斜度设计

由于锻锤吨位低，需要选择合适的拔模斜度才能顺利把柱头锻造出来。如果选择过大的拔模斜度是可以顺利锻造，但锻造尺寸过大，加大锻造模具的外形尺寸，同时也会增加锻造难度，增加原材料和锻造成本；如果选择过小的拔模斜度可能会无法倒料。合适的拔模斜度需要根据设备精度能力、锻造工件尺寸大小和实际锻造经验来选择，最终确定拔模斜度为4.5°和2.5°。在每个直径台阶尺寸处有圆角，避免锻造应力集中，造成锻造柱头开裂，锻造圆角设计为R5。

3 柱头锻造模具加工

柱头锻造模具材质选择模具钢5CrMnMo，柱头锻造模具加工工序：下料-粗车里孔-调质处理-精加工里孔-表面淬火。粗车里孔留2～3 mm，确保模具调质后硬度达标。调质硬度HB240-280，精加工时注意倒角圆角的加工，表面淬火HRC50-55。这样加工的锻造模具就可以保证锻造的质量和锻造数量。当然一个模具能锻造多少件柱头，还取决于锻造设备吨位，还有操作者锻造水平技能等因素。

4 柱头锻造

4.1 锻锤吨位的确定

根据经验公式：

式中：G 为模锻锤吨位，kg；F 为锻件水平投影面积，cm2。本工件近似圆柱，最大半径190 mm，所以选择2 t 的锻锤。

4.2 柱头试锻

柱头锻造工序为：圆钢料下料-圆钢料加热-一次锻造-多次锻造-锻造成型。根据柱头粗车图和锻造型腔尺寸计算柱头毛坯料重量为40.2 kg，采用圆钢料实验，圆钢料材质选为27SiMn。

柱头锻件毛坯料的确定，根据锻件镦粗时常用的高径比公式：

式中：LP为毛坯长度，mm；dP为毛坯直径，mm。在实验调整料的时候需要根据锻锤的吨位及锻造经验来选择圆钢料规格。因为锻造零件最大直径是190 mm，经过计算选取高径比，核算出直径160 mm、150 mm、140 mm 的圆钢料都有可能锻造出合格的锻件，但还需经过试锻验证。

先采用圆钢料Ф160 mm×257 mm 尺寸实验，料重约40.5 kg。发现锻造不是很理想，料不能完全充满锻造型腔。再采用圆钢料Ф150 mm×297 mm尺寸实验，料重约40.5 kg。这个比直径160 mm 圆钢料稍好一些，但还有一小部分型腔没有完全充满，造成柱头有部分缺陷。再采用圆钢料Ф140 mm×345 mm 尺寸实验，料重量约41.7 kg。这回锻造完全充满型腔，但加工余量不是很足，再微调下料尺寸，适当加长下料尺寸。虽然这个尺寸的料在锻造镦粗过程中有少许的弯曲，但不影响锻件质量，最终确定圆钢料下料规格为Ф140 mm×348 mm，加工余量合适。锻造合格的柱头毛坯料再经过调质处理后，经过测量外形尺寸如果没有过大变形，柱头硬度满足图纸要求，就可以确定用直径140 mm的这种规格圆钢料来批量锻造柱头。如图4 是柱头锻造后成品。

图4 锻造的柱头

4.3 锻造后的柱头半成品调质

柱头锻造合格后的半成品再进行调质处理，调质硬度为HB240-280。因为柱头是立柱受力部位，尤其是球头位置，硬度要求更高，在调质过程中严格控制硬度，确保柱头硬度合格。

5 柱头锻造优点

改变柱头加工工艺，采用下料-锻造-调质-精加工，此种加工方法优点如下：

节省车床粗加工的加工时间，在车床工作量大的情况下，没有时间进行粗加工，从而节约车床加工时间，而且间接的可以车削加工其他产品，从而间接提高产品产量。

锻造的圆钢料比车削粗加工下的圆钢料直径要小，重量要小，从而单件的材料费要低，间接节省制造成本。

平衡车床工作量过大，而锻造工作量有时候存在不饱满的问题，从而平衡车间各工种的工作量，为车间的生产、经营提供保障。

6 效果分析

锻造柱头模具的成功研制，锻造立柱柱头制作方法比原来用圆钢粗车的方法制作柱头加工效率高、节约成本、经济实用。下圆钢料制作立柱柱头总费用约394 元，改成锻造后制作费用约340 元。经过核算成本：每件小柱头的锻造要比下圆钢料粗车的方法节省54 元。通用重机公司每年制作柱头数量大约1500 件，每年节约成本约81 000 元。柱头锻造方法制作柱头提高了液压支架制作效率，并且柱头质量过硬。