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冷旋锻技术讲座 1 2 第一节旋锻过程及特点 一 旋锻过程旋锻即旋转锻造 也叫径向锻造 常采用两个或两个以上的模具 在使其环绕坯料 棒材 线材或管材 外径周围旋转的同时 也向坯料轴心施加高频率的径向力 使坯料受径向压缩而按模具型线成形和沿轴向延伸的过程 它是一种局部而连续 无屑而且精密的金属成形加工工艺 所谓冷旋锻工艺 就是在室温下进行的旋转锻造工艺 3 通常 旋转锻造有两种基本的锻造方法 一种是 进料锻造法 其示意图如图1所示 锻造时模具绕坯料旋转 并对坯料作段冲程 高频率的锤击 坯料是直接从模具入口端送进 直至锻出所需的锻件长度为止 这种方法用在单项锻制细长台阶的场合 其台阶过渡锥锥角较小 一般最大为20 另一种是 凹进锻造法 其示意如图2所示 锻造时 模具除可绕坯料旋转和对坯料作段冲程 高频率的锤击外 还可以作 开启 与 闭合 动作 这种方法用在锻制双向台阶和中间变细轴的场合 其两端的台阶过渡锥短而陡峭 图1进料锻造法示意图 图2凹进锻造法示意图 4 二 旋锻工程中的材料流动 旋转锻造过程中 材料的流动与旋压方法 模具的型线结构等有关 兹以图3所示的棒料进给旋转锻造为例 可以看出材料在旋锻时的一般流动趋势 图3棒料旋锻时的材料流动1 模具2 坯料A 坯料送进方向B 送进量C 轴向反流D 轴向顺流E 横向流动F 毛边G 材料的波动旋转H 打击方向 5 1 材料流动趋势并不局限于一个方向 即在旋锻过程中 沿材料轴向两端都可以有材料流出 同时在材料的横向截面上 也存在横向变宽的流动趋势 但由于受到模具内椭圆形和后角等结构的限制 材料的横向流动只是少量的 2 存在材料反流动情况 即在材料送进时 由于是对着模具锥形喇叭口送进的 所以有部分材料逆送料方向而流动 而呈现反流量大于顺流量的现象 在模具锥角过大时 送进的材料将在模具锥面部分产生滑动 从而导致送料时出现严重的轴向振动 给送进带来巨大阻力 所以 模具的锥部锥角要严格控制在20度以内 3 有绕自身轴线回转的趋势 前已述及 这是由于旋锻模在旋锻过程中不断张合 而在旋转速度就是旋转锻造机坯料夹持器所表现出来的速度就是旋转锻造机坯料夹持器所表现出来的速度 送进的材料如果没有这个回旋动作 则旋转锻造只会发生在材料的一个固定位置上 在材料上引起圆度误差和毛边 甚至使材料的回转动作则是由工人手控的 6 1 旋转锻造的工艺优势1 经旋转锻造的锻件 具有连续的纤维流线 这一点 明显的优于切削加工件 2 旋锻件的表面粗糙度质量 随坯料横截面压缩量的增大而提高 一般都胜过切削表面 从而有利于提高机件的配合的精度 3 由于经旋转锻造后的锻件表面存在有附加压缩应力 因而也提高了此类锻件的抗弯强度 再加上表面光洁的优势 可使此类锻件的切口效应达到最小 三 旋锻的工艺优势和劣势 7 4 由于冷击压缩的坯料的横截面伴随有加工硬化 而且加工硬化的程度取决于坯料横截面的压缩率 所以在许多情况下 可因此而采用具有抗拉强度低的廉价材料通过冷旋锻来取代一些高价材料 或者可以变实心结构为空心结构 以达到节材的目的 5 旋转锻件的精度取决于坯料横截面的压缩量 旋锻模的质量和锻件直径的大小 其公差量约为 0 02 0 2mm范围内 这一精度可与精密切削的精度相匹配 6 旋转锻造过程适用的材料品种较多 一般 只要具有一定延性的金属 都可以进行旋转锻压 7 冷转转锻造一般可达到的最大截面压缩率 高速钢为40 中碳钢为50 低碳钢为70 wc为0 2 的合金钢为50 Wc为0 4 的合金钢为40 8 利用旋转锻造 还可以简便地取得一些独特的工艺效果 8 图4用于管壁向内 外局部增厚 如图4所示是用于管壁向内 外局部增厚 9 a 外六角形b 内六角形c 外方形d 内外球形 a b c d 图5用于内 外非圆形管端的成形 如图5所示是用于内 外非圆形管端的成形 10 图6用于外形复杂短柱体的成形 如图6所示是用于外形复杂短柱体的成形 11 图7所示是用于管件与实心轴的旋锻结合 图7管件与实心轴的旋锻结合 12 图8所示是用于普通电源杆接头与电缆结合 图8电源杆接头与电缆结合a 旋锻结合前b 旋锻结合后 13 图9所示用于电缆之间的相结合等 图9电缆之间的相互结合a 球形结合b 单臂球形结合c 双臂球形结合 14 2 旋转锻压的劣势1 采用横断面形成的芯棒 可以旋锻出多样内形的管件 这应是旋锻工艺最明显的特点之一 但是另一方面 当旋锻时锻坯的断面缩减量增大和其工具尺寸不得不趋小设计时 则工具的寿命就必然成为旋转工艺发挥的一种限制因素 因为 过快的工具消耗 有时会使旋转工艺变得不经济 15 2 在操作旋转锻造时 坯料送入模具出现困难的频次相对较高 特别是在旋锻件锥形部分锥角较大的场合 因为 此锥角偏大 即模具的入模角较大 从而使坯料的入模送进力增大同时会出现振动 进一步影响到旋锻件的表面质量 从而会延长此类锻件的生产周期 所以 生产中有时不得不将一道工序可以完成的工作改为两道工序来完成 即第一道工序采用入模锥角较小的模具 第二道工序采用入模锥角较大的模具或采用闭合型模具旋锻 以求平缓过渡 3 旋转锻造工艺生产的噪声过大 需要考虑对操作者的听力保护 一般应在设备上加装纤维隔声板框架 操作人员相对容易疲劳 16 四 影响材料可旋锻性能的因素 旋锻是沿材料横断面多向同时锻打的工艺 它在有效限制金属材料横向外延流动的同时 也就提高了材料轴向延伸的效率 所谓材料的可锻能力 是在于表述材料在一次旋锻过程中所能达到的最大变形程度 通常 在一个旋锻工步中所能经受的材料最大断面缩减程度qq d1 d2 d2d1 旋锻前的坯料直径 mm d2 旋锻后的坯料直径 mm 17 1 材料成分通常 钢中的含碳量和某些合金元素的存在 对该钢的可旋锻性能有着明显的影响 1 一般 钢中Wc 0 2 的普通碳素结构钢 是最适合于旋转锻造的钢种 他们在进行旋锻时 其横断面积的单次缩减率最大可达到70 所以 这些钢种旋锻时 无需考虑工序间的中间退火工艺 随着钢中含碳量的增加 材料的旋锻性能明显降低 2 合金钢中的某些合金元素 例如Mg Ni Cr等 是增加材料强度的 同时使材料的流动能力变坏 加工塑性降低 从而影响到材料的可旋锻能力 而另一些合金元素 如铅 硫 磷等 都是作为易切削添加物加入钢中的 然而它们也极易导致钢中的不连续组织 进而导致金属材料在旋转锻造过程中出现开裂或破碎现象 这些也同样限制了材料的可锻能力 18 2 旋锻前的显微组织实践证明 在钢的冷旋转锻造中 如果钢的显微组织呈细小 均匀状态 则能获得最大的可旋锻能力 通常 中碳钢及中碳钢合金结构钢的珠光体退火显微组织所表现出来的可旋锻能力 不如其球化退火显微组织的表现 这与珠光体片的粗细度和钢的抗拉强度与硬化程度等有关 一般 为了使材料退火后能获得均匀分布的细小颗粒状碳化物 因为 珠光体片较细时 球化退火时可采用较低的温度和较短的时间 退火温度越低 未溶解的碳化物数量就越多 从而容易获得均匀分布的细颗粒状珠光体组织 19 3 材料硬度显然 旋锻前的材料硬度越高 其可锻的能力也越低 所以材料在旋锻之前一般都应作软化退火处理 由于材料的差异 旋锻冷缩减率对材料力学性能的影响进程也是不同的 当工件要求的断面缩减率大于一次旋锻工不能完成的缩减率时 在其延续缩减之前 必须对经过一次缩减的中间坯料作去应力处理 以重新恢复材料的韧性 并避免材料在恢复韧性处理中的晶粒长大 但如果系此处理而去应力效果不佳时 则宜对材料进行完全退火 20 第二节旋锻技术要点及应用 一 旋锻设备的分类及特征1 按主旋转运动的特征旋转锻造机是一种绕工件轴线旋转且产生径向高频打击的设备 如该机主旋运动的特征来分 旋转锻造设备有所谓 内旋机 和 外旋机 两种 图10所示即内旋机的工作原理 这种旋锻机的主旋转运动 主要来自设备内的旋转主轴1 在主轴的前端设有一定数量的导槽 模具2和压块4装在其中 模具和压块之间装有垫片3 用以调整模具的位置 压块蘑菇头的形状 决定了模具的开启冲程大小 滚柱保持圈5位于主轴1和支撑套7之间 可以自由旋转 压力滚柱6则装在经精确加工的滚柱保持圈定为凹槽之中 图10内旋锻机的工作原理1 旋锻主轴2 模具3 垫片4 压块5 滚柱保持圈6 压力滚柱7 支撑套 21 当主轴1旋转时 模具2和压块4借助离心力的作用沿径向外移 当主轴静止或旋转缓慢时 也可完全或部分借助弹簧来开启模具 一旦主轴旋转 压块蘑菇头接触压力滚柱 便开始模具向工件轴心的锤击冲程 当压块蘑菇头的顶部锤击压力滚柱时 模具即完全闭合 当蘑菇头位于两个旋转压力滚柱之间时 模具开启最大 图11所示为外旋机的工作原理 这种旋锻机的旋转运动来自带飞轮的的支撑套7 而旋转主轴1则是静止的 或是缓慢的沿正向或逆向旋转 当旋转主轴静止时 便可以产生出非圆轴对称的横截面 其他构件的动作和内旋机是一样的 图11外旋锻机的工作原理1 旋锻主轴2 模具3 垫片4 压块5 滚柱保持圈6 压力滚柱7 支撑套 22 2 按结构特征分 如果按照设备工艺特性所决定的结构特征来分 则旋锻机又可分成 标准型旋转锻机 固定主轴旋转锻机 蠕动主轴旋转锻机 交替打击旋转锻机和模具闭合型旋转锻机五种 23 1 标准型旋转锻机实际上就是典型的内旋机 主要用于坯料直径的直线缩径或用以成型圆锥形工件 它由内部装有旋锻部件的工作头 支撑工作头的基座和装有外罩的电动机组成 图12所示就是装入工作头内的旋转锻部件示意图 为了加强该旋转部件在锻造过程中的使用强度 图中支撑套 件7 外径应该设计成比工作头孔径约大0 5mm 并经淬硬 精磨 压入装配于工作头内 使该套始终处于预压缩状态 主轴安装在锥形滚柱轴承内 并定位于支撑套的中心位置 由电动机驱动轴上的飞轮所联动 在主轴旋转过程中 模具产生的打击次数由旋锻机的大小决定 通常为每分钟1000 5000次 模具的冲击速率 近似等于压力滚柱的数量乘以主轴的每分钟转数 再乘以0 6的修正系数 修正的原因主要是考虑滚柱保持圈的蠕动影响 a 闭合位置b 开启位置图12标准型旋锻机旋转部件1 旋锻主轴2 模具3 垫片4 压块5 滚柱保持圈6 压力滚柱7 支撑套 24 在旋锻机的使用过程中 模具处于开启位置时的开启量 可以用限制模具和压块离心外移量的机械装置 作一定程度上的改变 但是模具处于闭合位置时 则不能改变 如果停止旋转锻造 可在模具和压块之间插入垫片 旋锻模具的打击强度 也能用不同厚度的垫片来调节 模具应注意垫紧 以使模具处于闭合位置时 能足以获得压块和压力滚柱之间的合适过盈量 如果垫片过紧是容易出现不能启动 只有拆除压力滚柱才能获释 25 2 固定主轴旋转锻机也即模具和工件保持静止不动 而工作头和滚柱保持圈旋转的外旋机 这种旋锻机主要用来旋锻圆截面工件 也用于旋锻其他形状截面的工件 图13所示是该种机型的旋锻部分示意图 a 闭合位置b 开启位置图13固定主轴旋锻机的旋转部分1 旋锻主轴2 模具3 垫片4 压块5 滚柱保持圈6 压力滚柱 26 固定主轴旋转锻机由电动机和内装两个锥形滚柱轴承及轴承座的基座构成 工作头固定在锥形滚柱轴承内的旋转轴套上 由电动机驱动 并起飞轮作用 主轴由固定在轴承盖上的后盖固定 并保持不动 当工作头旋转时 模具的往复动作和标准型旋锻机相同 但冲击动作由公转的压力滚柱 通过压块给予 所以有时也被称作 反转旋锻机 模具开启的动作 是利用向前送进的工件来控制 有时也借助弹簧的作用 模具和压块间的垫片使用方法 和标准旋锻机一样 27 3 蠕动主轴旋转锻机也是支撑套旋转 而旋转主轴缓慢的正向或逆向旋转的外旋机 它综合应用了标准型旋锻机和固定主轴锻造机的工作原理 图14所示是此种旋锻机旋转部分的示意图 和固定主轴旋锻机不同 其主轴安装在快速旋转压力滚柱壳体内的慢速旋转轴上 因而便于对模具的往复运动作较精密的控制 a 闭合位置b 开启位置图14蠕动主轴旋锻机的旋转部分1 旋锻主轴2 模具3 垫片4 压块5 滚柱保持圈6 压力滚柱 28 4 交替打击旋转锻机也是一种固定主轴的外旋机 但是在工作头和滚柱保持圈旋转过程中 每旋转30 相邻的滚柱分别滑出和退出保持圈凹槽一次 只有退出保持圈凹槽的滚柱 才有可能推动压块和模具 以产生打击 图15所示是此种旋锻机旋转部分示意图 在这种结构中 当两个相对的滚柱推动模具产生锤击时 相距90 的一对滚柱处于滑出状态 因此无锤击产生 这种打击方式 有利于清除工件上的毛刺 a 竖向打击b 横向打击图15蠕动主轴旋锻机的旋转部分1 旋锻主轴2 模具3 垫片4 压块5 滚柱保持圈6 退回的压力滚柱7 滑出的压力滚柱 29 5 模具闭合型旋锻机实际上是与标准型旋锻机是相同的 其差别仅仅是在于增加了一套往复式的楔形结构 它能使模具的开启量大于标准型旋锻机允许送料的可能的开启量 以适应 凹进锻造法 的工艺需要 图16所示是模具闭合型旋锻机的工作原理示意图 在这种情况下 模具的张合是借助能轴向运动的控制楔块来实现的 这时 楔块替代了图12 14中的垫片位置 既可用在外旋机上 也可用内旋机上 动作时 楔块后缩 模具开启 送入材料 接着 楔块前伸 模具闭合 工件成形 最后 楔块后缩至原位 模具开启 取出工件 图16模具闭合型旋锻机的工作原理a 送入材料b 工件变形c 取出工件1 模具2 楔块3 压块 30 此外 旋锻机还可以根据压力滚柱和压块的加载特征 而将旋锻机分成冲击型的和压缩型的 这主要取决于压块蘑菇头顶部型线的设计 图17所示是旋锻机上一般常见的具有代表性的压块蘑菇头顶部型线形式 其中图17a是普通冲击型压块的截面形状 顶部型线走势比较急突 宽度相对较窄 提供的冲距也较小 图中17b是有正弦曲线特征的 走向平缓 块体较宽 冲程相对较大 属压缩型 图17c是大半径顶部压缩型 图17d是硬质合金置换长寿命型 可以设计成不同的特征形状 3 按加载特征分 图17旋锻机压块顶部的型线形式a 普通冲击型b 有正弦曲线特征的压缩型c 大半径顶部压缩型d 镶块置换型 31 图18所示是冲击型压块与压缩型压块与加载性能的对比 可见 压缩型旋锻机存在一系列的优点 例如 运动平稳 无过载峰值 噪音和磨损都比较小 模具开启时段较长而模具闭合式时段较短 使旋锻机的运动和动力系统得到了优化 在压力滚柱和滚柱保持圈之间无附加的驱动元素等 对于小缩减率的工艺要求 冲击型的旋锻机的工作效率是较高的 图18冲击型和压缩型压块的加载性能对比1 冲击型压块2 压缩型压块 32 4 按模具数量分旋锻机还可以根据拥有模具的数量 分为两模机 三模机 四模机 六模机 大多数的旋转锻造是两模机上进行的 因为两模机的制造较便宜 调整和维修也比较简单 三模机一般用于三角形截面的成形 四模机对于由圆截面旋锻成方截面特别有用 一般用于矩形 方形和圆形截面的成形 六模机用于六角形截面的成形 由于旋锻模具都是装在主轴的凹槽中 所以 要改变旋锻机的模具数量 其主轴也应予以更换 33 二 设备容量估算 旋转锻造机的额定容量 一般建立在指定抗拉强度实心金属材料的旋转锻造承载安全基础上 它可以用该设备旋锻指定材料所能获得工件的直径或锥体平均直径来表示 通常 旋锻机的容量受工作头强度的影响明显 估算时 可近似认为工作头上的负载 等于工件在模具压缩状态下的投影面积与加工金属材料抗拉强度的乘积 因此 如果受工作头强度的限制 某两模机的安全加工负载为51000kg 则对于用75mm长的模具旋锻抗拉强度为414MPa的实心金属材料时 该机的额定容量为 相对长度 51000 75 414 16mm 34 对于管料的旋转 其设备容量受模具横截面积 管料抗压强度 还有主轴孔径等的限制 壁厚在1mm以下的管料有芯棒旋锻 被认为和实心棒坯的旋锻是一样的 由于摩擦对金属流动的抑制作用 薄壁管的旋压力较大 其值取决于管的直径和模具长度 35 对于压缩型旋锻机 其容量是根据其直径及负载极限来确定的 通常受到压力滚柱和压块之间接触应力的限制 从保证承载零件的安全寿命出发 此应力一般不应超过1170Mpa 以此为基础 如果压力滚柱和压块都是钢制零件 则压缩型旋锻机的极限承载能力可用下式确定 L 径向承载容量 t N 压块数l 压力滚柱的有效长度 mm Dr 压力滚柱的直径 mm Db 压块顶部圆角直径 mm 0 002 应力转化系数 L 36 四 旋锻模的结构要素 1 旋锻模结构类型由于旋锻是一种追求锻件轴向伸长效率的增长类工序 所以其模具结构形状也有着明显的特点 根据旋锻实践中的各种应用 概括出旋锻模具的九种典型结构形状 如图19所示 它们的特点和适用场合 如下图所述 图19旋锻模具的典型结构形状a 标准单锥形模b 双锥形模c 带横档的锥尖模d 漏斗形模e 导向模f 长锥形模g 单向延伸模i 成形模 37 1 标准单锥形模是一种基本的旋锻模 它是对坯料直径进行直线缩减而设计的 它首先用来将入模的料头部弄尖以利进一步送进 进行直线压缩 2 双锥形模也是为普通的直线缩减而设计的 所以也可以完成与上述相同的工艺功能 但是双锥形模可以换向使用 因而可以获得两倍于但锥形模的寿命 3 带横档的锥尖模 主要用于工件端部锥形的最后成形 其横档用来保证整个旋锻锥尖等长 此模也可以用于将入模的棒料弄尖 以利进一步送料 38 4 漏料形模是只用于热旋锻部分的一种用耐热钢制造的模具 5 导向模位于模具的前部 对于坯料起导向作用 用以保证工件上的非旋锻部分截面和缩减部分截面同心 缩减作用仅在模具的锥形锻生产 6 长锥形模在其整个长度上都带有锥度 用以成形长锥形件 但是 设计时应注意模具上的锥形长度 应略大于工件上的锥形长度 39 7 单向延伸模用于抗拉强度低的实心棒料和管料的大程度缩减 与标准单锥形模相比 此模可以旋锻出较长的锥形部分 8 双向延伸模可以在两端产生延伸 以减轻厚壁管的旋锻难度和提供较长的锥形部分 9 成形模用于管料和棒料上成形特殊形状 40 2 旋转模具结构参数 1 模具侧向有效间隙实际上 所有的旋转锻造模都要求有这个间隙 它可以起一定的缓冲保险作用 也能使模腔横截面线型带一点椭圆弧 以利金属流动 没有这个间隙时 金属流动会会受到极限 从而容易导致工件与模具的粘结 为了做到有这个间隙 在模具设计与制造上有两种做法 一是设计制造一种带240 包角的两块式模 使其本身就具备这个间隙 二是在加工制造两块模体的模腔型线时 赋予它一定的椭圆弧 从而也为模具提供侧向间隙 41 图20所示是带240 包角的两块模具设计 两模体首先在无垫片情况下合并镗孔或磨削 加工出与工件接触区 包角区 然后 塞入垫片 仅加工侧向间隙区 镗或磨削直至尺寸E 式中 E是通过模具节后处测定的对角线尺寸 d是模具入口处锥形段的直径的1 10 当旋锻管料时 垫片厚度随其外径 壁厚比而变化 对与该比值大于等于30的薄壁管 其侧向间隙接近于零 对于模具直线段的侧向间隙 也遵循以上同样的程序确定 但以旋锻工件的直径取代锥形锻件的最大直径 锥形段和直线段采用等厚的垫片 且两段之间应光滑过渡 图20带240 包角的两块模具设计 42 对于以椭圆弧为型腔线型的两块式模具 有两种方法可以获取模中的椭圆弧 一种是在磨平的两模面间塞入垫片 组合到满足一定间隙 两模间的间隙 也即垫片厚度 要求的情况下 进行镗孔或铰孔 然后 除去垫片 两模面重新贴合所组成的模腔即是一个近似的椭圆形 另一种方法是先将两模体贴合 镗孔至超过要求的尺寸 然后再磨削模面 直至每半模型腔达到与旋锻工件直径匹配的合适深度 43 2 型腔椭圆度基于上述模具侧向有效间隙与型腔椭圆度的关系 所以型腔椭圆度也是旋锻模的一个不可少的结构参数 通常 椭圆度的量化数值是随旋锻材料的性质旋锻尺寸而变化的 3 型腔出 入口端圆角半径对所有的旋锻模 在型腔的出 入口端都应制出圆角 4 锥形段锥角一般 椭圆形旋锻模的锥角最大都不得超过30 从方便材料入模考虑 锥形段的锥角最好等于或小于8 44 另外 不能不提及 在保证旋锻模侧向有效间隙的两种方法中 用椭圆弧来获得间隙的做法难以保证工件最满意的表面粗糙度 最小的尺寸公差和较长的模具寿命 但是模具的延伸效率会相对较高 用在240 包角以外专门加工侧向间隙的做法 可以使工件有较好的表面粗糙度和较小的尺寸公差 而且模具寿命也较长 但是模具的工作效率低 运用中依据要求权衡优劣来选定 对于四块式旋锻模 无圆度差的只用于薄壁的精整 对于实心棒料和厚壁管的旋转 以及带心棒管料的旋锻 都要求采用椭圆形模具 因为圆度差可以促进旋锻材料的环向流动和减小设备的负载 45 五 管型件的旋锻 通常 管型件是最典型的旋锻制品 同时 由于旋转锻造工艺一些自身特点的发挥和在包括汽车制造等多种领域的推广应用 使得许多原本是实心的轴类零件也变成了管形件 从而又丰富了管型件旋锻的典型意义 46 管料的旋锻 分为有无芯棒旋锻两种 1 无芯棒旋锻 1 使用场合通常在以下一些场合采用无芯棒旋锻 1 需要同时减小管坯的内 外径 或增大管壁壁厚时 2 产生锥形件时 3 希望管件强度 公差小时 4 产生叠层管时 5 为管件的拉拔工艺 修整焊接管坯上的焊缝时 47 2 工艺影响因素除了上述有关管坯类型不同会对旋锻过程和锻件质量产生影响外 其他的影响因素还有 1 管坯的相对直径 只有直径 壁厚小于等于30的管坯才能顺利地进行无芯棒旋锻 这是因为在任何情况下 管坯都必须具有足以满足其顺利进入模送进要求的柱强度 2 模具的锥角 在旋锻低碳钢管且用用人工送进时 不应超过8 旋锻较易变形的退火铜管时 锥角可达15 当锥角超过15 时 采用机械和液压送进 3 缩减率 对于在无芯棒旋锻过程中的管料长度和壁厚变化 都会构成一定的影响 通常 随着缩减率的增大 壁厚的增大会比长度的增大来得明显 关于无芯棒旋锻管料时所能得到的管壁厚度 可以用经验公式来估算 其误差为10 左右 48 4 管料送进速度 一般情况下的送进速度为1500mm min左右 对于管料直径 壁厚大于30的情况下 无芯棒料旋锻时的送进速度要降至500mm min以下 甚至降到250mm min的极低速度 但对于容易旋锻材料简单锥形件的旋锻 送进速度可高近5000mm min 5 工艺润滑应小心对待 由于在无芯棒旋锻中 润滑对管 棒料的送进条件都构成了不利的影响 所以在一些旋锻工序中不再使用润滑剂 使用润滑剂的主要缺点是在送料时产生过大的反流 特别是在模具入模锥角较大时 更易对送进造成困难 通常 只有当模具入模锥角不超过6 时 才可以考虑使用润滑剂 如能使用 则一般可获得表面光洁的制件 49 3 长锥形件旋锻实例 在长锥形件旋锻中 采用焊接管作管坯时会产生困难 因为管坯本材和焊缝的硬度不同 容易招致缺陷 但如果只能以焊接管作坯 则必须严格要求焊后热处理的质量 通常 在管料旋锻工艺中 除使用标准长度模具外 还使用一种加长型的模具 对拟旋锻的锥形件而言 如果锥形件的总长比一种模具的长度还要短 则该锥形件可用该模具在一个工序中就可以旋锻出来 但如果锥形件只能通过模具的合理配置 在多工序操作中旋锻出来 50 在考虑具体的长锥形件所需要的工序数时 除了锥形件的长度和所用模具的长度外 还应考虑到 1 在模具入口处 由于圆角半径的设置和易于磨损等原因 约有9 10mm的长度范围在旋锻过程中是不起作用的 在工艺设计中应予以扣除 2 模具在每两个相邻的工序位置上 由于制件表面连接流畅的需要 应有25mm长的重叠段 3 同样出于工序连接和工序中稳定性考虑 除最后工序所用的模具外 其他工序的模具型腔应为两段组成 在锥形段的尽头外还应有25mm长的直线段 51 这样 如果要在直径32mm的低碳钢管坯上 旋锻出小端直径12 7mm长760mm的锥形件 可以按图12 27所示的工序旋锻出来 前三道工序用250mm假长模 最后工序用210mm长标准模 模具入口留有9 5mm的余量 每一后续锥形段采用25mm的重叠重量 除最后工序中的锥形段外 留有25mm的直线过渡段 52 所有四道工序在同一设备上完成 在每到工序中 管料穿过模具送至挡料块 并在每到工序中缩减管料至图21中所示的相应直径 每次送进长度由挡板控制 以保证前 后形成段的光滑连接 图21长锥形件的四工序旋锻示意图 53 同样 对于上述同一种锥形件 也可以改用455mm长的加长模 按图22所示的两工序工艺旋锻出来 而且效率高于四工序方案 通常 加长模比标准模的成本约高出1 3 因此 在对旋锻工艺做出最后取舍之前 应对其综合成本做出正确的评估 图22 32mm 12 7mm 760mm长锥形件的两工序旋锻示意图 54 2 有芯棒料旋锻 1 使用场合在旋锻时 对于以下的应用都需要用到芯棒 1 在缩减管料外径而希望内径尺寸保持不变时 或者希望减小内径公差时 2 在薄壁管的直径缩减中 希望整段薄壁管都得到支撑时 3 希望在管坯的内表面形成花键 螺旋等形状 或将圆孔该锻成异型孔 4 当管坯较长 需要对伸出模具前端的部分提供支撑时 55 2 常用芯棒的类型旋锻长用芯棒的类型 如图23所示 1 塞式芯棒 图23a 由芯棒和直径较细的芯棒杆组成 芯棒通常处在旋锻模中间位置 比模具略长 操作时 管坯先套入芯棒杆 在塞入芯棒与模具间的缝隙中 为使管件方便卸出 芯棒和芯棒杆是可以拆分的 56 2 轴式芯棒 图23b 安装在旋转芯棒夹持器上 此类夹持器允许管坯和芯棒不动时 再将管坯送入模内 57 3 低熔合金芯棒 图23c 有时用于支撑旋转锻造中的薄壁管 旋锻结束后 低熔合金属融化流出 58 4 薄壁管用芯棒 图23d 安装在模具前方的固定夹持器内 芯棒上套有一个送料环 可以沿芯棒前后滑动 管坯从芯棒前方套入 套入前 芯棒上的送料环向后滑 套入后 送料环在向前滑 在芯棒向前送的同时将管坯送入模内 59 5 整长式芯棒 图23e 由一整长的钢棒制成 上面没有其他的附属零件 其长度稍长于成形管件 工作时 管坯先套入芯棒 然后两者一起进入模具 60 3 工艺影响因素一般 对无芯棒旋锻工艺产生影响的一些因素 对有芯棒旋锻工艺过程及效果也是有影响的 例如管坯类型 模具锥角 管坯送进速度 缩减率和润滑方法等 只不过对有些因素 在影响规律上会有所不同 概括起来 其主要影响因素有 1 设备容量的大小 一般在有芯棒旋锻情况下 应较在无芯棒旋锻时有所增大 因为官坯的有芯棒旋锻 实际上已应被视为实心棒旋锻 其旋锻设备容量的估算 也应变换为以缩减实心材料的能力为基础 2 旋锻模的椭圆弧 也应较无芯棒旋锻模有所增大 因为椭圆弧较小时 旋锻中容易使管坯与芯棒压的过于紧密 导致芯棒从工件中退出困难 一般 管坯的直径和壁厚越大 有芯棒旋锻模的椭圆弧也应相应增大 61 3 缩减率的增大 在有芯棒旋锻工艺中通常被用来改善工件内 外表面和内成形的质量 然而 旋锻时缩减的增加 又受限于设备能力 管料送进力 影响送进力的模具锥角和送进速度 管坯材料及其冶金状态等一系列因素 所以工艺中应注意对缩减率的综合考虑和协调应用 通常 对于经球化退火后的普通碳钢和韧性合金 才可以旋锻到大于40 的缩减率 否则 应考虑缩减率的均衡取值 并在两个缩减工序之间增加中间退火 以避免追求工件内 歪歪表面质量的同时 而招致产品开裂报废的后果 4 芯棒的寿命在有芯棒旋锻工艺中是至关重要的 根据芯棒在旋锻操作中的工作条件 它既要抗压 也要耐冲击 而且还要具备一定的耐热性能 所以 对于旋锻芯棒 首先要注意它的材料和加工 热处理质量 使之充分把握它的能力极限 特别是在发挥有芯棒旋锻工艺特色优势