方鋼鍛圓棒模具型腔設(shè)計(jì)的研究

方鋼鍛圓棒模具型腔設(shè)計(jì)的研究

研磨球是球磨機(jī)的研磨介質(zhì)。常用的研磨球主要包括三種類(lèi)型：研磨球、研磨球和精煉球。在礦山、水泥、電廠(chǎng)、化工等行業(yè)廣泛應(yīng)用，年消耗200萬(wàn)噸以上，市場(chǎng)潛力巨大1磨球鑄造工藝研究磨球鍛件產(chǎn)品呈球形，如圖1所示。本文著重研究磨球鍛造的工藝特點(diǎn)、模具設(shè)計(jì)原則以及生產(chǎn)中需注意的問(wèn)題。以下所述內(nèi)容可以用于所有規(guī)格尺寸的磨球，不針對(duì)某一具體的磨球產(chǎn)品。2方鋼研磨機(jī)械設(shè)計(jì)原則2.1坯料尺寸要求方鋼鍛造磨球首先將方鋼鍛造成圓棒，再將圓棒鍛造成球。如圖2所示，方鋼鍛造磨球的工藝流程為:下料—加熱—鍛圓棒—鍛球—滾圓。如果方形坯料的橫截面規(guī)則，上述鍛造工藝很容易實(shí)現(xiàn)。如果方形坯料的截面形狀為不規(guī)則的異形，如圖3所示，則會(huì)給鍛造過(guò)程增加一定的困難。首先應(yīng)該明確的是，異形坯料與規(guī)則方鋼的模具設(shè)計(jì)原則一致，基本原則為:模具型腔的截面積和容積大于熱鍛件的截面積和體積。否則，異形坯料在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多的問(wèn)題，文章最后會(huì)詳細(xì)講述。本文中的磨球鍛造工藝為無(wú)飛邊鍛造，無(wú)論是異形方鋼還是規(guī)則方鋼，坯料尺寸應(yīng)滿(mǎn)足兩點(diǎn)要求:(1)在鍛圓棒工序中，要求方形熱態(tài)坯料的橫截面積小于模具型腔的橫截面積;(2)在鍛球工序中，要求方坯體積小于模具的型腔容積。2.2設(shè)計(jì)方鋼圓桶模的原則2.2.1鑄造圓棒的形狀首先，雖然坯料截面是不規(guī)則的，但是，鍛圓棒的模具對(duì)方坯截面形狀是沒(méi)有要求的，重要的是模具型腔能將坯料容納進(jìn)來(lái)。所以，無(wú)論坯料截面是否規(guī)則，均可用相等截面積的規(guī)則方鋼來(lái)進(jìn)行成形分析。模擬分析的圓棒鍛件形狀如圖2所示，圓棒鍛件兩端各有四角凸出，這主要是因?yàn)榉戒摰?個(gè)棱邊最先接觸模具，材料流動(dòng)開(kāi)始的最早。實(shí)際鍛造圓棒鍛件的端面情況如圖4所示，端面四角凸出不明顯，四角凸出的程度與原材料性能、潤(rùn)滑和鋸口斜度有關(guān)。圖4a和圖4b的鍛造圓棒鍛件端面的四角凸出不明顯，可能是因?yàn)椴牧媳旧淼牧鲃?dòng)性能較差或者模具與鍛件的摩擦力較大，這種情況有利于下一工序的鍛造。而圖4c鍛件的端面明顯傾斜，有一個(gè)角明顯凸出，可能與模具潤(rùn)滑不均勻或者坯料切口傾斜較大有關(guān)，這種情況對(duì)下一工序影響很大，坯料放置時(shí)也不穩(wěn)定，可能在一側(cè)出現(xiàn)飛邊，還會(huì)影響模具壽命，不建議繼續(xù)鍛造。2.2.2鍛圓棒的流場(chǎng)分布鍛圓棒模具設(shè)計(jì)的第1個(gè)原則為:閉合模具型腔的軸向截面是兩頭大、中間小的形狀。目標(biāo)鍛件形狀為圓棒，如果模具做成圓棒形狀，則成形后的鍛件會(huì)出現(xiàn)如圖5所示的情況，在合模處有明顯飛邊，且軸向截面從中間到兩端逐漸減小。在這種情況下，加大型腔不能改善飛邊狀況，還會(huì)使坯料兩端的變形量減小，影響下一工序的成形。鍛造時(shí)的材料流動(dòng)情況如圖6所示。從圖6a可以看出，鍛件成形過(guò)程中，坯料從中間向兩側(cè)流動(dòng)的傾向明顯。兩側(cè)端面的金屬材料可以自由地向外側(cè)流動(dòng)，越靠近外端面的金屬流動(dòng)速度越大。從圖6b可以看出，法向中間橫截面的金屬材料受三向壓應(yīng)力作用，很難向兩側(cè)流動(dòng)，主要流動(dòng)方向向下。所以，鍛造結(jié)束后，鍛件法向中間橫截面部分的金屬材料最多、直徑最大，從中間到兩端逐漸減少，最終鍛造出的圓棒應(yīng)該為中間大、兩端小的形狀。所以，鍛圓棒的模具型腔在軸向應(yīng)該設(shè)計(jì)為中間大、兩端小的形狀，如圖7所示。修改模具形狀之后，可鍛造出如圖8所示的圓棒鍛件。鍛圓棒模具的等效應(yīng)力分布如圖9所示，等效應(yīng)力較大的位置在與方坯棱邊接觸的位置，也是模具最早失效的位置。鍛圓棒模具設(shè)計(jì)的第2個(gè)原則為:閉合模具型腔的橫截面為橢圓形狀，橫截面如圖6b所示。模擬結(jié)果與實(shí)際情況相似，鍛件的橫截面形狀如圖10所示，大致由4段半圓弧面和4個(gè)小直面組成。鍛造過(guò)程中的材料流動(dòng)情況如圖11所示。在鍛造過(guò)程中，金屬材料沿模具型腔出現(xiàn)向下、向外流動(dòng)的趨勢(shì)。方鋼上面的兩個(gè)棱邊的材料流動(dòng)速度最快，且向外流動(dòng)的趨勢(shì)更明顯。金屬材料更易向合模位置流動(dòng)，容易出現(xiàn)飛邊，但上、下端面很難充滿(mǎn)。鍛件的理想形狀為正圓形，但是，將模具型腔設(shè)計(jì)成橢球形更為合理。因?yàn)樵跈E球頂部和底部會(huì)給金屬材料更多的流動(dòng)空間，相對(duì)于正圓型腔，在橢球形型腔中的鍛件更容易接近圓形。如圖12所示，分別模擬在橢球形型腔和正圓形型腔中鍛造相同的坯料，將坯料鍛造至剛好沒(méi)有飛邊的狀態(tài)，且合模處直徑相同?？梢钥闯?圖12b的正圓形型腔里的鍛件上、下平面的直徑明顯大于圖12a中橢球形型腔里的鍛件上、下平面直徑。2.2.3模具型腔尺寸鍛圓棒模具型腔的軸向截面為中間大、兩邊小的形狀，橫截面為橢圓形。型腔法向中間橫截面的截面積最大，鍛件的法向中間橫截面形狀直接影響到鍛件的飛邊情況。圓棒的鍛造目標(biāo)是盡量靠近正圓形。模具閉合方向?yàn)闄E球長(zhǎng)軸方向。模具型腔的法向中間橫截面的截面積最大，橢球形型腔的長(zhǎng)軸尺寸約為目標(biāo)熱態(tài)正圓棒直徑ue788的1.15～1.25倍，型腔深度為橢球長(zhǎng)半軸R的0.85～0.90倍，型腔深度小于橢球長(zhǎng)半軸。短軸尺寸約為目標(biāo)熱態(tài)正圓棒直徑的1.02～1.10倍，模具閉合型腔高度約為目標(biāo)熱態(tài)正圓棒直徑的1.05～1.15倍，如圖13所示。具體尺寸根據(jù)同一批次坯料截面積的上差確定。鍛圓棒模具型腔兩端的橫截面積最小，且對(duì)鍛球工序的影響很小，可以直接設(shè)計(jì)成正圓形，直徑約為目標(biāo)熱鍛態(tài)正圓棒直徑的0.80～0.95倍，具體尺寸應(yīng)根據(jù)原材料的流動(dòng)性能和潤(rùn)滑確定。2.3模具型腔的確定無(wú)飛邊鍛球是無(wú)法鍛出飽滿(mǎn)的正圓球，所以，需要利用鍛造余熱將不飽滿(mǎn)的鍛球滾圓，以便達(dá)到產(chǎn)品要求。上、下模具結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際情況可以做成一個(gè)整體模具，也可以做成模芯+應(yīng)力圈的結(jié)構(gòu)，圖14為一層應(yīng)力圈結(jié)構(gòu)示意圖。鍛球模具型腔設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)必須注意，如下所述。(1)模具型腔的容積應(yīng)比熱態(tài)磨球體積稍大，且形狀為橢球形。因?yàn)榻饘俨牧显跓o(wú)飛邊鍛造工藝中沒(méi)有足夠的充型條件，不能充滿(mǎn)球形模具型腔的頂部和底部。如果模具型腔容積小于或等于熱態(tài)球形體積，那本該填充型腔頂部的材料即會(huì)變成鍛造飛邊，飛邊在滾圓后會(huì)折疊在磨球中。而且鍛造坯料鋸切下料也會(huì)有所偏差，模具型腔需要有容納稍大坯料的功能，可以保證鍛件的成品率。做成橢球形的原因可參考上述2.2.2節(jié)。經(jīng)過(guò)模擬和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可知，閉合型腔為橢球形是比較合理的形狀，橢球型腔長(zhǎng)軸尺寸約為目標(biāo)熱態(tài)球形直徑的1.15～1.25倍，型腔深度為橢球長(zhǎng)半軸的0.85～0.90倍，型腔深度小于橢球長(zhǎng)半軸，長(zhǎng)軸方向?yàn)槟＞唛]合方向。短軸尺寸約為目標(biāo)熱態(tài)球形直徑的1.02～1.10倍，閉合型腔高度約為目標(biāo)熱態(tài)球形直徑的1.05～1.15倍。與鍛圓棒型腔一樣，在上、下模具閉合時(shí)為如圖13所示的狀態(tài)。(2)模具上、下要開(kāi)排氣孔。鍛造圓棒鍛件垂直放置在鍛球模具中，圓棒上、下端面的外圓最先發(fā)生變形，并與模具完全接觸，此時(shí)在模具與鍛件之間形成密閉空腔，高溫氣體無(wú)法排出，阻礙金屬材料向型腔頂部和底部流動(dòng)。所以，應(yīng)在上、下模具頂部、底部均要開(kāi)排氣孔，如圖14b所示。這個(gè)孔不會(huì)影響鍛件的成形，因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，鍛件很難填充到模具的上頂和下底部。此孔也可以在自動(dòng)化生產(chǎn)中用作頂出孔。鍛球模具的等效應(yīng)力如圖15所示。型腔內(nèi)的等效應(yīng)力比較大的位置為鍛圓棒端面凸出的四角處，也是模具失效最早的位置。橢球形型腔外緣上、下兩側(cè)的等效應(yīng)力也偏大，因?yàn)殄懺靾A棒不是正圓，其橫截面呈橢圓形，在橢球長(zhǎng)軸方向的模具等效應(yīng)力會(huì)偏大，而橢球短軸方向金屬材料不足以填充型腔，模具等效應(yīng)力偏小。2.4方坯截面的確定異形方鋼鍛球有兩個(gè)方面的要求:(1)保證坯料的截面積和體積;(2)穩(wěn)定放置坯料。首先，異形方鋼要按截面積分類(lèi)，按分類(lèi)計(jì)算下料長(zhǎng)度，并匹配相應(yīng)的模具型腔。如果坯料與模具不匹配，在鍛造過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多的問(wèn)題，比如:如果方坯截面積大，下料體積也大，鍛圓棒工序和鍛球工序同時(shí)出現(xiàn)鍛造飛邊，如圖16a所示，圓棒鍛件的飛邊被折成波浪形，球鍛件也出現(xiàn)飛邊;如果方坯截面積小，下料體積符合要求，鍛造圓棒的截面呈橢圓形，橢圓棒料在鍛球時(shí)容易在橢球長(zhǎng)軸方向形成鍛造飛邊，短軸兩側(cè)又填充不足，如圖16b所示;如果方坯截面積小，下料體積也小，雖然球鍛件無(wú)飛邊，但是滾圓后也無(wú)法形成完整的球形，如圖16c所示;如果方坯截面積符合要求，下料體積偏大，則圓棒鍛件較好，在鍛球時(shí)出現(xiàn)整齊的飛邊，如圖16d所示;如果方坯截面積和下料體積均符合要求，可以鍛造出稍有缺陷的近似球形，如圖16e所示，此球鍛件進(jìn)入滾圓機(jī)滾圓，可以得到較好的磨球鍛件，如圖16f所示。綜上所述，如果不注意區(qū)分坯料規(guī)格，并配合相應(yīng)的模具型腔，則很難保證產(chǎn)品的合格率，尤其在自動(dòng)化生產(chǎn)中，會(huì)出現(xiàn)批量廢品，造成很大的損失。其次，異形坯料放置的位置也十分重要。規(guī)則截面的方坯的合理放置位置如圖17a所示;如果方鋼截面不規(guī)則(圖3)，方鋼坯料截面某一個(gè)或某兩個(gè)角為圓弧，如圖17b所示，放在弧形模具上會(huì)滑向一側(cè)，變成如圖17c所示的狀態(tài)，應(yīng)選擇將沒(méi)有圓弧的兩個(gè)邊放置在模具上。如圖17c所示的狀態(tài)是不能鍛造出合格鍛件的，這種情況會(huì)鍛造出上、下充不滿(mǎn)，又有大飛邊的鍛件。還應(yīng)注意，坯料放置在型腔中時(shí)應(yīng)盡量放置在型腔中間，且兩側(cè)面盡量垂直，否則，在鍛造時(shí)會(huì)出現(xiàn)一側(cè)有飛邊、一側(cè)充不滿(mǎn)的情況。在人工操作時(shí)，如果位置校正不方便，可以做工裝輔助或改用機(jī)械手校正。3應(yīng)力鋼模具設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)(1)鍛造時(shí)，鍛件金屬有向上填充型腔的慣性趨勢(shì)。當(dāng)上、下模型腔一樣時(shí)，坯料更容易將上模填滿(mǎn)。當(dāng)坯料偏大時(shí)，鍛件容易粘在上模。這種情況對(duì)人工操作來(lái)說(shuō)非常危險(xiǎn)，在自動(dòng)化生產(chǎn)下會(huì)導(dǎo)致停機(jī)。有3種方法可以解決:增加上頂桿，每次鍛造完成后頂出鍛件;增加上、下模具的間距，使型腔容積變大，避免上模填充太滿(mǎn);上模型腔比下模型腔設(shè)計(jì)淺5～10mm，可以解決上模粘模的問(wèn)題。(2)為了方便取出鍛件，模具可能需要加頂出裝置，頂出孔不宜太大，根據(jù)鍛球直徑、成形狀況和設(shè)備條件確定頂桿直徑，頂桿直徑約為球徑的10%～15%。(3)方鋼鍛圓棒時(shí)，如果鍛造圓棒四角凸出太多，在鍛球工序可能會(huì)出現(xiàn)折疊。所以，可以根據(jù)材料流動(dòng)性能適當(dāng)增加摩擦系數(shù)。鍛球工藝的兩個(gè)工序均屬于鐓粗成形，金屬流動(dòng)時(shí)與模具的相對(duì)摩擦很小，即使不潤(rùn)滑也可以順利成形，正常情況下模具磨損比較小。需要注意的是:如果模具外部沒(méi)有冷卻潤(rùn)滑，應(yīng)增加模具內(nèi)冷裝置。4模具型腔尺寸設(shè)計(jì)綜上所述，方鋼鍛造的磨球最終要進(jìn)入滾圓機(jī)滾圓，只要鍛球體積符合要求即可，即大大降低了對(duì)模具型腔的尺寸要求