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梅花板手制坯輥鍛--模鍛工藝及模具設計
最后更新時間:2020/5/31 點擊:944

 
本文敘述了用歸工藝生產梅花板手所存在的問題及用輥鍛制坯----小毛邊模鍛工藝生產的優點,并對梅花板手進行了工藝分析。

介紹了梅花板手制坯輥鍛工藝和小毛邊模鍛工藝及其模具設計。

主題詞:梅花板手 輥鍛 模鍛 模具設計

1概述

梅花板手是一種用得很廣泛的手工工具,型號多,批量大。
 
類似零件還有雙頭呆板手,兩用扳手等。過去雖然已進行了一系列改進,使原來完全依靠落后的手工鍛造生產方式逐步改進組成了具有一定水平的鐓頭--輥軋--模鍛流水線。但該流水線還存在工序多、材料利用率低、勞動強度大等不足之處。

輥鍛是目前國內外廣泛采用的一種較先進的塑性成形工藝。
 
它既可作為模鍛前的制坯工序,亦可直接輥制鍛件。
 
這種輥鍛工藝不僅具有獲得精確形狀及尺寸的光滑表面毛坯,還具有生產率高、模具壽命長及材料利用率高等優點。

輥鍛是使毛坯(冷態的或熱態的金屬)在裝有圓弧形模塊的一對旋轉鍛輥中通過(圖1)時,借助模具型槽使其產生塑性變形,從而獲得所需要的鍛件或鍛坯
下面以16×18mm梅花扳手為例作詳細介紹。

2工藝分析

圖2為16×18mm梅花扳手零件圖,材料為45號鋼,兩頭部熱處理淬頭回火硬度為HRC38~45。
 
按鍛造工藝的形狀類別,其形狀是屬于兩頭粗大、中間桿狀的長軸類鍛件,所以必需采用輥鍛成形才能達到所要示的制件形狀及尺寸。
從多年生產實踐分析可知,毛坯軸線方向與打擊方向互相垂直,金屬主要沿高度及寬度方向流動,而沿長度方向流動很小。
 
其特點:a.鍛件的長度與寬度、高度的尺寸 比例大;b.鍛件沿長度方向其截面積變化較大。
 
因此,在大批量生產時,必需考慮采用效率較高的制坯工步--輥鍛工藝及終成形工藝---小毛邊開式模鍛,所以梅花扳手的塑性成形工藝主要包括:a.高速鋸切下料;b.感應加熱;c. 輥鍛制坯;d.摩擦壓力機模鍛;e.沖床切邊;g.沖孔;h.沖十二角。

3模鍛工藝

該零件除了兩頭平面刮平與倒角外,其余均不經切削加工,故該零件圖基本上為鍛件圖。

模鍛生產過程、工藝規范制訂、模具設計、鍛件檢驗及鍛模制造等都離不開鍛年圖,設計時一般應考慮解決下列問題:

3.1確定分模位置

鍛件分模位置合適與否,關系到鍛件成形、鍛件出模、材料利用率等一系列問題。
 
確定分模位置最基本原則是保證鍛件狀盡可能與零件形狀相同和鍛件容易從鍛模型槽中取出;此外,還應爭取獲得鐓粗充填成形的良好效果。
 
為此,根據梅花扳手的形狀特點,分模線設在鍛件的中央,如圖2中粗線所示。
 
這樣模鍛時將產生水平分力,為平衡這個錯移力,將扳手柄部型槽設計成與水平線成α傾斜角(圖3),以形成自然的鎖扣,α角的大小根據大小頭模具型槽的深度(圖3中之A、B)及水平分力大小而定,同時還須考慮模具的強度及前一工步的關系。
現取α=7o。其大小頭模具型槽深度可基本相同,且模具強度較高,輥鍛后的坯料可開成平直形狀水平地放進模鍛型槽,定位較好。

3.2其它工藝參數

設計鍛件圖時,還需要決定公差、模鍛斜度、圓角半徑,但基本上與常規方法相似。

3.3確定局部小毛邊槽型式及時性尺寸

考慮到輥鍛后成形的坯料在桿部和部分頭部已有1~1.25mm厚的毛邊,故在桿部不再設置毛邊槽,易模鍛時上下模表面不接觸,其中留有1.5mm的間隙。鍛件兩端頭部的形狀復雜,難以充滿型槽,為了補足其金屬體積,故在其輪廓四周選用如圖4的小毛邊槽型式,其尺寸為:h1=1.5mm,h=3mm,b=5mm,b1=10mm。
3.4計算毛坯截面圖及直徑圖

模鍛時,最好先將等截面的棒料預制成不等截面的中間毛坯,使其每一截面面積等于鍛件的相應截面積再加上相應的小毛邊截面積,然后將此中間毛坯放入模鍛型槽中進行模鍛,這樣,可保證各截面處金屬足夠,充填良好,變形后多余金屬沿鍛件兩端頭部輪廓分模線上將形成較小的毛邊。
 
這種理想的中間毛坯稱為“計算毛坯”。
 
計算毛坯可用計算毛坯截面圖與計算毛坯直徑圖表示,兩者統稱為計算毛坯圖。

計算毛坯截面圖是沿鍛件軸線方向截面積變化的圖像。
 
計算毛坯直徑圖是鍛件軸線方向直徑變化的圖像。
 
兩者都反映了鍛件長度(軸線)上金屬分布的情況。
 
關于毛坯截面圖及直徑圖的計算方法與常規方法相似。

根椐毛坯截面圖可確定坯料的體積V=35500mm3。

3.5 模具型槽的設計

模具型槽是鍛件時最后成形的型槽,它是按熱鍛件圖制造和檢驗的。
 
開式模鍛時,梅花扳手兩頭的型槽沿分模面設置小毛邊槽,而桿部體積能正確計算及容易成形,故不設毛槽。
 
鍛件在模具型槽里鍛好冷卻到室溫時,其尺寸要縮小,所以熱鍛件圖要按鍛件圖(冷)放大一個收縮量。
 
梅花扳手鋼鍛件的收縮率一般取1.2%。模具型槽 的主要尺寸見圖5。
當傾斜角α=7o時,錯移力未完全平衡,故設置了外加平衡鎖塊,見圖3所示。

3.6 模鍛力的計算

模鍛所需的壓力可按下式計算:

P=K(2+0.1(Fsqrt(F))/V)σb.F

式中P--模鍛力,N

K--系數,當開式模鍛時取K=3.5

F--鍛件投影面積,mm2,根據計算為4200mm2

V--鍛件體積,mm3,根據計算為35500mm3

σb--模鍛終了時的金屬強度極限,MPa,按45號鋼選用60MPa

計算后得 P=2500kN

故選用3000kN摩擦壓力機進行生產,模鍛時坯料溫度為900~950oC。

4輥鍛制坯工藝

4.1選擇原毛坯尺寸

輥鍛過程中,毛坯每一道變形時,除了少量金屬展寬外,大部分金屬都沿鍛件軸線被延伸,使毛坯模截面不斷減小。
 
因此,選擇原毛坯截面尺寸,可按下式確定原毛坯的截面積:

Fo=K.Fmax

式中Fo--原毛坯截面積,mm2

Fmax-- 鍛件最大截面積,mm2

K--截面增大系數,取K=1.1~2.0

原毛坯長度尺寸可根據梅花扳手鍛件圖來進行計算的。
 
經計算并按鋼材標準規格,最后選定的實際原毛坯尺寸為φ18×140mm。

4.2確定輥鍛道次

選擇輥鍛道次對保證輥鍛件的成形及提高生產率有很大的影響。
 
如果選擇道次過多,則將增加輥鍛模具的數量,同時延長操作時間,使生產率降低。
 
反之,如果輥鍛道次過少,則將使金屬分配不全理或使金屬變形加劇,影響繼續輥道次的主要依據是金屬延伸量的大小及制作成形的難易程度,可按下式初步確定輥鍛道次N:

N=lgλ/1gλ平

總延伸系數λ等于原毛坯橫截面積Fo與輥鍛后鍛件的最小截面積Fmin之比,即λ=Fo/Fmin=254.34/121.5=2.09.

平均延伸系數λ平一般為1.5~2.5.

根據輥鍛道次的計算及梅花扳手坯料工藝的分析,代入上式得N=1g2.09/1g2=1.06,輥鍛道次選為N=1。

4.3 設計輥鍛后制坯的形狀及尺寸

輥鍛制坯的形狀應根據計算毛坯直徑圖的數據來進行設計,其形狀及尺寸見圖6所示。
4.4 確定輥鍛模具型槽尺寸,根據生產中實際數據,其前滑量S=2%~3%,取S=2.5%計算:

①模具型槽的總長度 L=L坯/1+S=262/102.5×100≈255mm

②大小頭尺寸:按鍛件和毛邊的體積定出φ27×15和φ23×25的扁球體,但兩頭都留有5mm伸縮量,以利充滿模鍛型槽。

③桿部截面為橢圓形,其體積取決于鍛件桿部體積,因模鍛時桿部不再溢出毛邊。其它尺寸則參照鍛件尺寸確定,參見圖2。

④毛邊:在兩鍛輥中間留有1.25mm的間隙。毛邊自然形成。

由上可得輥鍛模型的形狀及尺寸,見圖7所示。
 
5切邊、沖孔及沖十二角

梅花扳手模鍛后,還需進行切邊、沖孔及沖十二角。
 
這些工藝所用的沖模均為一般熱沖模結構,在標準壓力機上進行沖壓,故不再作工藝分析。

6模具材料

鍛壓模和輥鍛模在工作時都承受著較大的壓力,另一方面又在反復受熱和冷卻的條件下工作,通常模具受熱的溫度可達350~500oC。
 
因此,模具內部在交變應力的作用下,極易形成熱疲勞裂紋。
 
為保證模具的使用壽命,鍛壓模和輥鍛均選用3Cr2W8合金模具鋼。
 
由于鍛壓模需要量較大,可采用冷壓方法制造。

鍛壓模和輥鍛模的熱處理工藝,經淬火及回火后的硬度為HRC48~51。

7 結論

梅花扳手一具零件生產中,采用輥鍛技術和小毛邊模鍛組成先進的成形工藝,在技術上和經濟上有了明顯的提高,即簡化了生產工序,提高了產品質量及合格率,又減少了基本設備投資,降低了產品成本。
 

 
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