一体式活塞杆镦锻工艺研究

曹 毅，贾丙军

（河北省地质矿产勘查开发局第一地质大队，河北邯郸 056006）

0 引言

作为液压油缸的传动部件，活塞杆是油缸生产中必不可少的关键部件。从其组成结构上可分为杆头杆体一体式与杆头杆体焊接式。目前一体式活塞杆的加工方式为整体模锻，专业性强，通常需要到外省进行加工，受制于运输路途，造成加工时间延长。若出现小批量加工合同，模锻的成本会进一步加大。河北省地矿局（下文简称“单位”）多年研发钻杆端部镦粗加厚设备，技术水平国内领先，可对多种直径的管料进行端部加厚，受此启发，本文尝试将一体式活塞杆的加工与钻杆镦粗设备相结合，达到活塞杆端部镦粗加厚的效果，解决批量小、工期短的一体式活塞杆加工问题。

1 概述

单位多年来一直为国内大型企业生产各类油缸，部分油缸为增加活塞杆强度，设计为一体式活塞杆（图1）。一体式活塞杆因其杆头和杆体为一体，需要进行整体加工，因此往往加工周期较长。受订单影响，有时一个合同内仅有几支活塞杆为一体式，加工成本会有所提高，模锻厂家也会因为量少延迟加工，造成工期不易保证。

图1 一体式活塞杆

通常针对小批量、工期紧的情况，单位一直是采用以杆头最大尺寸整体下料，先粗车杆体处，再调质加工。而整体下料的加工方式，一体式活塞杆的杆头和杆体通常直径差会相差将近一倍，如一支长度1200 mm的活塞杆，其杆体直径50 mm，杆头直径90 mm，下料尺寸必须为Φ100 mm×1200 mm。加工前需要将长1100 mm 的杆体从Φ100 mm 粗车到Φ55 mm（含后期加工量），然后再进行其他工序加工，材料浪费极为严重。

目前，国内大力提倡节能减排，钢铁、煤炭等原材料价格大幅上升。传统加工方式材料、能源浪费严重，解决直径差问题，避免材料、能源浪费，使小批量、工期紧的一体式活塞杆能够低成本、高效率加工，是此次研究的目的。

2 设计思路

该研究难点在于如何在不影响活塞杆整体强度的前提下，将一体式活塞杆的杆头部位加厚至图纸要求的最大尺寸，有效的解决杆头与杆体直径差值的问题。因此需要一种设备，能够不受工人技术、生产效率制约的对杆头处进行加粗，即进行活塞杆局部镦锻加工。局部镦锻加工量小、生产效率高，工人只需操作机器即可，劳动强度低，同时相对于整体模锻，加热时间可有效缩短至10%，能源消耗大幅降低。

目前，单位自主研发的对心式全液压半自动镦管机正是基于这一技术特点，对钻杆端部进行镦粗加工。此次研究的重点是借鉴钻杆端部镦粗技术，设计出一种活塞杆局部镦锻加粗的新工艺。具体实施内容可总结为：根据一体式活塞杆杆头的尺寸设计模具，当杆头端通过中频加热达到镦锻温度的时候，运用镦管机，推动挤压芯子在模具型腔中将活塞杆端部镦锻成图纸要求尺寸。

3 模具设计

对心式全液压半自动镦管机由顶进油缸、夹紧油缸，挤压芯子、模具体、夹具体组成，其中夹紧油缸作用于夹具体部分负责工件的夹紧，模具体和挤压芯子通过顶进油缸的作用力，在型腔里形成挤压，负责工件的成形。目前单位研发的新型短镦管机YDG300D，将模具体和夹具体合为一体，可最短加工长度500 mm 的工件，适合此次镦锻工艺研究。

图2 钻杆端部镦锻前后对比

此次将活塞杆杆头设计为根据一体式活塞杆镦锻要求和图纸尺寸（图3），结合YDG300D 镦管机工作原理，将模具体的夹紧部位设计成原材料直径55 mm（含加工量），同时采用阵列挖槽加工方式加大夹紧摩擦力；成型腔的直径参照工件杆头尺寸设计为Φ95.3 mm（含加工量），挤压芯子的直径参照工件杆头尺寸设计成Φ94.8 mm（防止碰撞模具体）。模具体外圆设计为1∶4 锥度，使其通过油缸前后移动改变开合尺寸，达到夹紧和松开的目的。通过电脑模拟计算出工件的压缩量，将型腔长度设计为240 mm，过渡长度20 mm，加热长度初步定为300 mm。

图3 一体式活塞杆

模具体和挤压芯子选用优质钢材，先后经过整体锻造、粗车、二次热处理，最后精车成型。采用线切割加工方式，将模具体四等分加工。每部分模具加装定位燕尾槽，结合YDGD300D 镦管机，组成一体式活塞杆镦锻设备。

4 初次镦锻

由于工件原料为圆钢，同时压缩变形量大，合理的加热工艺尤为关键，必须确保工件镦锻部位加热均匀透彻，才能达到高质量镦锻效果。因此编写加热程序为：120 s 加热温度到750 ℃，保温60 s，二次加热180 s 到1160 ℃，二次保温120 s，选用100 kW中频加热炉作为加热设备。中频炉配有温控模块和红外线温度感应探头，可根据工件温度变化调整加热功率。调整镦管机夹紧压力为10 MPa，顶锻压力为12 MPa，进行第一次镦锻试验。

启动镦管机，对加热好的活塞杆进行镦锻，却发现挤压芯子不能顶进到指定位置，同时观察工件有明显向后滑移的现象。松开夹具后，工件无法取出，第一次镦锻失败。

5 分析改进

拆开镦管机模具，取出工件，观察工件只有部分达到镦锻尺寸，并且不规矩，同时夹紧部位有长约20 mm 的位移划痕，结合工件不能取出的问题得出以下结论：①镦管机的设计使模具的开合量不能达到工件所需的镦锻直径变化差；②挤压芯子与模具型腔之间的位移变化未能达到设计所需的位移量，即挤压芯子未运行到指定位置；③模具体夹紧部位在镦锻过程中未能有效夹紧工件。

查看镦管机设计图纸，缸筒内部活塞行程长度为85 mm，结合模具体1∶4 的锥度，得出模具最大开合差值为21 mm，此次镦锻大小端差值为40 mm，明显超出模具最大开合量，故工件不能取出。挤压芯子未能达到指定位置通常是因为顶进力不够，或者材料受热不均匀，加热部位前后温度差值大，导致加热部位不能均匀压缩或压缩不动。夹紧部位未能有效夹紧，通常是因为夹具尺寸与工件外圆尺寸配合有差错，或者夹紧力不足。测量模具内腔尺寸，符合图纸设计要求，故不存在夹具尺寸与工件外圆配合出现差错的问题，因此不能有效夹紧的问题可通过调整夹紧油缸工作压力来解决。挤压芯子顶进力不够可通过调节顶进工作压力来解决，同时调整中频加热工艺，配合手持测温枪测温，确保工件受热均匀。模具体开合量的加大是个难题，通过计算，若达到所需的开合量，油缸活塞行程至少需要205 mm，现有设备无法满足。如果单从加大模具体开合量来解决这一问题，需重新设计镦管机一台。但205 mm 的行程使加工难度大幅上升，造成生产成本上涨，需数十万资金才能研发，显然设计研发新的设备不适合此次研究。

受制于现有镦锻设备的加工能力，最大镦锻直径变化差值不能超过21 mm，因此若想将镦锻后直径95 mm 的杆头顺利取出，模具体夹紧部位的尺寸最小为Φ71 mm，而工件需夹持部位直径为55 mm。针对这一问题，结合多年工作经验，决定设计出一种辅助夹紧成型工具，解决因模具体内孔增大而不能夹紧的问题。

辅助夹紧成型工具外圆直径75 mm，内孔直径54.5 mm，外圆内孔都加工出阵列式防滑槽，后端加工出定位台阶，前端与模具型腔过渡起始位置对齐，线切割加工对称两半式。模具夹紧部位内孔车成Φ75 mm，当镦锻工件时，模具体夹紧辅助夹紧成型工具，辅助夹紧成型工具它夹紧工件。当工件镦锻完成后，辅助夹紧成型工具辅助夹紧成型工具和工件一起从模具体取出，从而解决模具开合量过小不能有效夹紧工件的问题。

6 二次镦锻

由于工件第一次镦锻加工时，工件压缩量未达到设计要求。考虑有可能是因为工件受热不均匀，加热部位前后温度差值大，因此编辑加热程序为：150 s 加热温度到750 ℃，保温60 s；二次加热240 s 到1160 ℃，二次保温120 s。同时购买手持红外测温枪实时检测温度；调整镦管机夹紧压力为15 MPa，顶锻压力为18 MPa，准备进行第二次镦锻。

启动中频加热设备对工件进行加热，同时手持红外测温枪测量工件加热部位温度，待加热程序结束时，通过测量得出工件加热部位前端温度为1180 ℃，后端温度为1125 ℃，前后温度均符合镦锻要求。启动YDG300D 镦管机进行镦锻，模具体牢牢将辅助夹紧成型工具夹紧，辅助夹紧成型工具受力夹紧工件。按下顶进按钮，挤压芯子顺利顶进到指定位置，镦锻完成。按下松开按钮，辅助夹紧成型工具与模具体脱开，工件顺利取出。目测目测活塞杆杆头外圆成型规矩，无明显的凹坑、夹层，待工件温度下降后，测量工件镦锻外径、长度、均符合图纸要求，镦锻成功，且整个镦锻过程未超过20 min。

7 批量加工

选取此次订单10 支进行镦锻连续加工，镦锻完成后对杆头进行正火处理。通过计时对比，每支活塞杆加工耗时从最初的15 d 缩短到现在的2 h，生产效率大幅提高，减少工件运输环节，生产更加灵活的同时生产成本大幅下降。对正火后的10 支活塞杆进行车削加工，杆体和杆头同轴度控制在1 mm 内，杆头圆跳动控制在1 mm 内，各部位尺寸均符合粗车图纸尺寸，满足精车加工要求。同时加工余量减少，操作者可以更快的对活塞杆完成精车。

8 工艺总结

YDG300D 对心式全液压半自动镦管机可以对工件端部进行镦锻加厚加工，从而达到以低成本加工方式来实现工件部分直径变大的目的，既提升工件强度，又提高生产效率。镦锻加工中，模具设计决定着工件成型质量；加热程序控制工件受热温度的均匀变化；镦锻设备加工参数的合理设置决定着工件成型的质量。当现有设备不能满足加工需要时，创造式的设计出辅助夹紧成型工具，通过辅助夹紧成型工具，改变现有设备的加工能力，达到加工要求此次试验中就是通过不断的摸索改进各项工艺参数，最终取得了镦锻成功。

创新是前进的动力，机械生产需要在日常生产中不断的摸索改进，从而提高生产效率，提高整个行业的加工水平。此次镦锻成功，使活塞杆加工工艺向前迈进了一步，有效解决小批量、工期紧的一体式活塞杆生产成本降低和工期保证的问题，同时避免浪费、防止污染、降低劳动强度。