旋鍛技術(shù)講座

1、 冷旋鍛技術(shù)講座冷旋鍛技術(shù)講座 page 2 2 第一節(jié)第一節(jié) 旋鍛過(guò)程及特點(diǎn)旋鍛過(guò)程及特點(diǎn) 一、旋鍛過(guò)程 旋鍛即旋轉(zhuǎn)鍛造，也叫徑向鍛造，常采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的模具，在 使其環(huán)繞坯料（棒材、線材或管材）外徑周圍旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，也向坯料 軸心施加高頻率的徑向力，使坯料受徑向壓縮而按模具型線成形和沿 軸向延伸的過(guò)程。它是一種局部而連續(xù)、無(wú)屑而且精密的金屬成形加 工工藝。所謂冷旋鍛工藝，就是在室溫下進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)鍛造工藝。 page 3 3 通常，旋轉(zhuǎn)鍛造有兩種基本的鍛造方 法：一種是“進(jìn)料鍛造法”，其示意 圖如圖1 所示。鍛造時(shí)模具繞坯料 旋轉(zhuǎn)，并對(duì)坯料作段沖程、高頻率的 錘擊。坯料是直接從模具入口端送進(jìn)

2、， 直至鍛出所需的鍛件長(zhǎng)度為止。這種 方法用在單項(xiàng)鍛制細(xì)長(zhǎng)臺(tái)階的場(chǎng)合， 其臺(tái)階過(guò)渡錐錐角較小，一般最大為 20。另一種是“凹進(jìn)鍛造法”， 其示意如圖2 所示。鍛造時(shí)，模具 除可繞坯料旋轉(zhuǎn)和對(duì)坯料作段沖程。 高頻率的錘擊外，還可以作“開啟” 與“閉合”動(dòng)作。這種方法用在鍛制 雙向臺(tái)階和中間變細(xì)軸的場(chǎng)合，其兩 端的臺(tái)階過(guò)渡錐短而陡峭。 圖1 進(jìn)料鍛造法示意圖 圖2 凹進(jìn)鍛造法示意圖 page 4 4 二、旋鍛工程中的材料流動(dòng)二、旋鍛工程中的材料流動(dòng) 旋轉(zhuǎn)鍛造過(guò)程中，材料的流動(dòng)與旋壓方法、模具的型 線結(jié)構(gòu)等有關(guān)。茲以圖3所示的棒料進(jìn)給旋轉(zhuǎn)鍛造為例， 可以看出材料在旋鍛時(shí)的一般流動(dòng)趨勢(shì)。 圖3 棒料旋

3、鍛時(shí)的材料流動(dòng) 1模具 2-坯料 a-坯料送進(jìn)方向 b-送進(jìn)量 c-軸向反流 d-軸向順流 e-橫向流動(dòng) f-毛邊 g-材料的波動(dòng)旋轉(zhuǎn) h-打擊方向 page 5 5 1）材料流動(dòng)趨勢(shì)并不局限于一個(gè)方向，即在旋鍛過(guò)程中，沿材料軸向兩端都 可以有材料流出；同時(shí)在材料的橫向截面上，也存在橫向變寬的流動(dòng)趨勢(shì)， 但由于受到模具內(nèi)橢圓形和后角等結(jié)構(gòu)的限制，材料的橫向流動(dòng)只是少量的。 2）存在材料反流動(dòng)情況，即在材料送進(jìn)時(shí)，由于是對(duì)著模具錐形喇叭口送進(jìn) 的，所以有部分材料逆送料方向而流動(dòng)，而呈現(xiàn)反流量大于順流量的現(xiàn)象。 在模具錐角過(guò)大時(shí)，送進(jìn)的材料將在模具錐面部分產(chǎn)生滑動(dòng)，從而導(dǎo)致送料 時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的軸向振

4、動(dòng)，給送進(jìn)帶來(lái)巨大阻力。所以，模具的錐部錐角要嚴(yán) 格控制在20度以內(nèi)。 3）有繞自身軸線回轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。前已述及，這是由于旋鍛模在旋鍛過(guò)程中不斷 張合，而在旋轉(zhuǎn)速度就是旋轉(zhuǎn)鍛造機(jī)坯料夾持器所表現(xiàn)出來(lái)的速度就是旋轉(zhuǎn) 鍛造機(jī)坯料夾持器所表現(xiàn)出來(lái)的速度。送進(jìn)的材料如果沒有這個(gè)回旋動(dòng)作， 則旋轉(zhuǎn)鍛造只會(huì)發(fā)生在材料的一個(gè)固定位置上，在材料上引起圓度誤差和毛 邊，甚至使材料的回轉(zhuǎn)動(dòng)作則是由工人手控的。 page 6 6 1、旋轉(zhuǎn)鍛造的工藝優(yōu)勢(shì) 1）經(jīng)旋轉(zhuǎn)鍛造的鍛件，具有連續(xù)的纖維流線。這一點(diǎn)，明顯的優(yōu)于切削 加工件。 2）旋鍛件的表面粗糙度質(zhì)量，隨坯料橫截面壓縮量的增大而提高，一般 都勝過(guò)切削表面。從而有利于

5、提高機(jī)件的配合的精度。 3）由于經(jīng)旋轉(zhuǎn)鍛造后的鍛件表面存在有附加壓縮應(yīng)力，因而也提高了此 類鍛件的抗彎強(qiáng)度；再加上表面光潔的優(yōu)勢(shì)，可使此類鍛件的切口效 應(yīng)達(dá)到最小。 三、旋鍛的工藝優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)三、旋鍛的工藝優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì) page 7 7 4）由于冷擊壓縮的坯料的橫截面伴隨有加工硬化，而且加工硬化的程 度取決于坯料橫截面的壓縮率，所以在許多情況下，可因此而采用具 有抗拉強(qiáng)度低的廉價(jià)材料通過(guò)冷旋鍛來(lái)取代一些高價(jià)材料，或者可以 變實(shí)心結(jié)構(gòu)為空心結(jié)構(gòu)，以達(dá)到節(jié)材的目的。 5）旋轉(zhuǎn)鍛件的精度取決于坯料橫截面的壓縮量、旋鍛模的質(zhì)量和鍛件 直徑的大小，其公差量約為 0.02 0.2mm 范圍內(nèi)。這一精度可 與精

6、密切削的精度相匹配。 6）旋轉(zhuǎn)鍛造過(guò)程適用的材料品種較多。一般，只要具有一定延性的金 屬，都可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鍛壓。 7）冷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鍛造一般可達(dá)到的最大截面壓縮率：高速鋼為40%,、中碳鋼 為50%、低碳鋼為70%、wc為0.2%的合金鋼為50%、wc為0.4%的合 金鋼為40%。 8）利用旋轉(zhuǎn)鍛造，還可以簡(jiǎn)便地取得一些獨(dú)特的工藝效果： page 8 8 圖4 用于管壁向內(nèi)、外局部增厚 如圖4所示是用于管壁向內(nèi)、外局部增厚 page 9 9 ； a)外六角形 b）內(nèi)六角形 c）外方形 d）內(nèi)外球形 a bc d 圖5 用于內(nèi)、外非圓形管端的成形 如圖5所示是用于內(nèi)、外非圓形管端的成形 page 10 1

7、0 圖6 用于外形復(fù)雜短柱體的成形 如圖6所示是用于外形復(fù)雜短柱體的成形 page 11 11 圖7 所示是用于管件與實(shí)心軸的旋鍛結(jié)合； 圖7 管件與實(shí)心軸的旋鍛結(jié)合 page 12 12 圖8所示是用于普通電源桿接頭與電纜結(jié)合； 圖8 電源桿接頭與電纜結(jié)合 a）旋鍛結(jié)合前 b）旋鍛結(jié)合后 page 13 13 圖9所示用于電纜之間的相結(jié)合等。 圖9 電纜之間的相互結(jié)合 a）球形結(jié)合 b）單臂球形結(jié)合 c）雙臂球形結(jié)合 page 14 14 2、旋轉(zhuǎn)鍛壓的劣勢(shì) 1）采用橫斷面形成的芯棒，可以旋鍛出多樣內(nèi)形的管件，這應(yīng)是旋鍛 工藝最明顯的特點(diǎn)之一。但是另一方面，當(dāng)旋鍛時(shí)鍛坯的斷面縮減量 增大和其

8、工具尺寸不得不趨小設(shè)計(jì)時(shí)，則工具的壽命就必然成為旋轉(zhuǎn) 工藝發(fā)揮的一種限制因素。因?yàn)?，過(guò)快的工具消耗，有時(shí)會(huì)使旋轉(zhuǎn)工 藝變得不經(jīng)濟(jì)。 page 15 15 2）在操作旋轉(zhuǎn)鍛造時(shí)，坯料送入模具出現(xiàn)困難的頻次相對(duì)較高，特別 是在旋鍛件錐形部分錐角較大的場(chǎng)合。因?yàn)?，此錐角偏大，即模具的 入模角較大，從而使坯料的入模送進(jìn)力增大同時(shí)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，進(jìn)一步 影響到旋鍛件的表面質(zhì)量，從而會(huì)延長(zhǎng)此類鍛件的生產(chǎn)周期。所以， 生產(chǎn)中有時(shí)不得不將一道工序可以完成的工作改為兩道工序來(lái)完成， 即第一道工序采用入模錐角較小的模具，第二道工序采用入模錐角較 大的模具或采用閉合型模具旋鍛，以求平緩過(guò)渡。 3）旋轉(zhuǎn)鍛造工藝生產(chǎn)的噪聲

9、過(guò)大，需要考慮對(duì)操作者的聽力保護(hù)。一 般應(yīng)在設(shè)備上加裝纖維隔聲板框架。操作人員相對(duì)容易疲勞。 page 16 16 四、影響材料可旋鍛性能的因素四、影響材料可旋鍛性能的因素 旋鍛是沿材料橫斷面多向同時(shí)鍛打的工藝。它在有效限制金屬材料橫 向外延流動(dòng)的同時(shí)，也就提高了材料軸向延伸的效率。所謂材料的可 鍛能力，是在于表述材料在一次旋鍛過(guò)程中所能達(dá)到的最大變形程度。 通常，在一個(gè)旋鍛工步中所能經(jīng)受的材料最大斷面縮減程度q q=(d1-d2)/d2 d1旋鍛前的坯料直徑（mm） d2旋鍛后的坯料直徑（mm） page 17 17 1、材料成分 通常，鋼中的含碳量和某些合金元素的存在，對(duì)該鋼的可旋鍛性能有

10、 著明顯的影響： 1）一般，鋼中wc0.2%的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，是最適合于旋轉(zhuǎn)鍛造的 鋼種。他們?cè)谶M(jìn)行旋鍛時(shí)，其橫斷面積的單次縮減率最大可達(dá)到70%。 所以，這些鋼種旋鍛時(shí)，無(wú)需考慮工序間的中間退火工藝。隨著鋼中 含碳量的增加，材料的旋鍛性能明顯降低。 2）合金鋼中的某些合金元素，例如mg、ni、cr等，是增加材料強(qiáng)度的， 同時(shí)使材料的流動(dòng)能力變壞，加工塑性降低，從而影響到材料的可旋 鍛能力。而另一些合金元素，如鉛、硫、磷等，都是作為易切削添加 物加入鋼中的，然而它們也極易導(dǎo)致鋼中的不連續(xù)組織，進(jìn)而導(dǎo)致金 屬材料在旋轉(zhuǎn)鍛造過(guò)程中出現(xiàn)開裂或破碎現(xiàn)象。這些也同樣限制了材 料的可鍛能力。 page 1

11、8 18 2、旋鍛前的顯微組織 實(shí)踐證明，在鋼的冷旋轉(zhuǎn)鍛造中，如果鋼的顯微組織呈細(xì) 小、均勻狀態(tài)，則能獲得最大的可旋鍛能力。通常，中 碳鋼及中碳鋼合金結(jié)構(gòu)鋼的珠光體退火顯微組織所表現(xiàn) 出來(lái)的可旋鍛能力，不如其球化退火顯微組織的表現(xiàn)。 這與珠光體片的粗細(xì)度和鋼的抗拉強(qiáng)度與硬化程度等有 關(guān)。一般，為了使材料退火后能獲得均勻分布的細(xì)小顆 粒狀碳化物。因?yàn)?，珠光體片較細(xì)時(shí)，球化退火時(shí)可采 用較低的溫度和較短的時(shí)間。退火溫度越低，未溶解的 碳化物數(shù)量就越多，從而容易獲得均勻分布的細(xì)顆粒狀 珠光體組織。 page 19 19 3、材料硬度 顯然，旋鍛前的材料硬度越高，其可鍛的能力也越低， 所以材料在旋鍛之

12、前一般都應(yīng)作軟化退火處理。由于材 料的差異，旋鍛冷縮減率對(duì)材料力學(xué)性能的影響進(jìn)程也 是不同的。當(dāng)工件要求的斷面縮減率大于一次旋鍛工不 能完成的縮減率時(shí)，在其延續(xù)縮減之前，必須對(duì)經(jīng)過(guò)一 次縮減的中間坯料作去應(yīng)力處理，以重新恢復(fù)材料的韌 性，并避免材料在恢復(fù)韌性處理中的晶粒長(zhǎng)大。但如果 系此處理而去應(yīng)力效果不佳時(shí)，則宜對(duì)材料進(jìn)行完全退 火。 page 20 20 第二節(jié)第二節(jié) 旋鍛技術(shù)要點(diǎn)及應(yīng)用旋鍛技術(shù)要點(diǎn)及應(yīng)用 一、旋鍛設(shè)備的分類及特征 1、按主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特征 旋轉(zhuǎn)鍛造機(jī)是一種繞工件軸線旋轉(zhuǎn)且 產(chǎn)生徑向高頻打擊的設(shè)備。如該機(jī)主 旋運(yùn)動(dòng)的特征來(lái)分，旋轉(zhuǎn)鍛造設(shè)備有 所謂“內(nèi)旋機(jī)”和“外旋機(jī)”兩種。

13、圖10所示即內(nèi)旋機(jī)的工作原理。這 種旋鍛機(jī)的主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主要來(lái)自設(shè) 備內(nèi)的旋轉(zhuǎn)主軸1。在主軸的前端設(shè) 有一定數(shù)量的導(dǎo)槽，模具2和壓塊4 裝在其中。模具和壓塊之間裝有墊片 3，用以調(diào)整模具的位置。壓塊蘑菇 頭的形狀，決定了模具的開啟沖程大 小。滾柱保持圈5位于主軸1和支撐 套7之間，可以自由旋轉(zhuǎn)。壓力滾柱 6則裝在經(jīng)精確加工的滾柱保持圈定 為凹槽之中。 圖10 內(nèi)旋鍛機(jī)的工作原理 1-旋鍛主軸 2-模具 3-墊片 4-壓塊 5-滾柱保持圈 6-壓力滾柱 7-支撐套 page 21 21 當(dāng)主軸1旋轉(zhuǎn)時(shí)，模具2和壓塊4借助 離心力的作用沿徑向外移。當(dāng)主軸靜 止或旋轉(zhuǎn)緩慢時(shí)，也可完全或部分借 助彈簧

14、來(lái)開啟模具。一旦主軸旋轉(zhuǎn)， 壓塊蘑菇頭接觸壓力滾柱，便開始模 具向工件軸心的錘擊沖程。當(dāng)壓塊蘑 菇頭的頂部錘擊壓力滾柱時(shí)，模具即 完全閉合。當(dāng)蘑菇頭位于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)壓 力滾柱之間時(shí)，模具開啟最大。 圖11所示為外旋機(jī)的工作原理，這種 旋鍛機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)自帶飛輪的的支 撐套7，而旋轉(zhuǎn)主軸1則是靜止的。 或是緩慢的沿正向或逆向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋 轉(zhuǎn)主軸靜止時(shí)，便可以產(chǎn)生出非圓軸 對(duì)稱的橫截面。其他構(gòu)件的動(dòng)作和內(nèi) 旋機(jī)是一樣的。 圖11 外旋鍛機(jī)的工作原理 1-旋鍛主軸 2-模具 3-墊片 4-壓塊 5-滾柱保持圈 6-壓力滾柱 7-支撐套 page 22 22 2、按結(jié)構(gòu)特征分、按結(jié)構(gòu)特征分 如果按照設(shè)備工藝

15、特性所決定的結(jié)構(gòu)特征來(lái)分，則旋鍛機(jī) 又可分成：標(biāo)準(zhǔn)型旋轉(zhuǎn)鍛機(jī)、固定主軸旋轉(zhuǎn)鍛機(jī)、蠕動(dòng)主 軸旋轉(zhuǎn)鍛機(jī)、交替打擊旋轉(zhuǎn)鍛機(jī)和模具閉合型旋轉(zhuǎn)鍛機(jī)五 種。 page 23 23 1）標(biāo)準(zhǔn)型旋轉(zhuǎn)鍛機(jī) 實(shí)際上就是典型的內(nèi)旋機(jī)，主要用于坯料直徑的直線縮 徑或用以成型圓錐形工件。它由內(nèi)部裝有旋鍛部件的工作頭。支撐工作頭的基 座和裝有外罩的電動(dòng)機(jī)組成。圖12所示就是裝入工作頭內(nèi)的旋轉(zhuǎn)鍛部件示意圖。 為了加強(qiáng)該旋轉(zhuǎn)部件在鍛造過(guò)程中的使用強(qiáng)度。圖中支撐套（件7）外徑應(yīng)該 設(shè)計(jì)成比工作頭孔徑約大0.5mm，并經(jīng)淬硬、精磨、壓入裝配于工作頭內(nèi)，使 該套始終處于預(yù)壓縮狀態(tài)。主軸安裝在錐形滾柱軸承內(nèi)，并定位于支撐套的中 心位

16、置，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上的飛輪所聯(lián)動(dòng)。在主軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，模具產(chǎn)生的打 擊次數(shù)由旋鍛機(jī)的大小決定。通常為每分鐘10005000次。模具的沖擊速率， 近似等于壓力滾柱的數(shù)量乘以主軸的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，再乘以0.6的修正系數(shù)。修正 的原因主要是考慮滾柱保持圈的蠕動(dòng)影響。 a）閉合位置 b）開啟位置 圖12 標(biāo)準(zhǔn)型旋鍛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件 1-旋鍛主軸 2-模具 3-墊片 4-壓塊 5-滾柱保持圈 6-壓力滾柱 7-支撐套 page 24 24 在旋鍛機(jī)的使用過(guò)程中，模具處于開啟位置時(shí)的開啟量， 可以用限制模具和壓塊離心外移量的機(jī)械裝置。作一定程 度上的改變。但是模具處于閉合位置時(shí)，則不能改變。如 果停止旋轉(zhuǎn)鍛造，可在模

17、具和壓塊之間插入墊片。旋鍛模 具的打擊強(qiáng)度，也能用不同厚度的墊片來(lái)調(diào)節(jié)。模具應(yīng)注 意墊緊，以使模具處于閉合位置時(shí)，能足以獲得壓塊和壓 力滾柱之間的合適過(guò)盈量。如果墊片過(guò)緊是容易出現(xiàn)不能 啟動(dòng)，只有拆除壓力滾柱才能獲釋。 page 25 25 （2）固定主軸旋轉(zhuǎn)鍛機(jī) 也即模具和工件保持靜止不動(dòng)， 而工作頭和滾柱保持圈旋轉(zhuǎn)的外旋機(jī)。這種旋鍛機(jī)主要用 來(lái)旋鍛圓截面工件，也用于旋鍛其他形狀截面的工件。圖 13所示是該種機(jī)型的旋鍛部分示意圖。 a）閉合位置 b）開啟位置 圖13 固定主軸旋鍛機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分 1-旋鍛主軸 2-模具 3-墊片 4-壓塊 5-滾柱保持圈 6-壓力滾柱 page 26 26 固定

18、主軸旋轉(zhuǎn)鍛機(jī)由電動(dòng)機(jī)和內(nèi)裝兩個(gè)錐形滾柱軸承及軸承座的基座 構(gòu)成。工作頭固定在錐形滾柱軸承內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸套上。由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， 并起飛輪作用。主軸由固定在軸承蓋上的后蓋固定，并保持不動(dòng)。當(dāng) 工作頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，模具的往復(fù)動(dòng)作和標(biāo)準(zhǔn)型旋鍛機(jī)相同，但沖擊動(dòng)作由 公轉(zhuǎn)的壓力滾柱，通過(guò)壓塊給予，所以有時(shí)也被稱作“反轉(zhuǎn)旋鍛機(jī)”。 模具開啟的動(dòng)作，是利用向前送進(jìn)的工件來(lái)控制，有時(shí)也借助彈簧的 作用。模具和壓塊間的墊片使用方法，和標(biāo)準(zhǔn)旋鍛機(jī)一樣。 page 27 27 （3）蠕動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)鍛機(jī) 也是支撐套旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)主軸緩慢的正向或 逆向旋轉(zhuǎn)的外旋機(jī)。它綜合應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)型旋鍛機(jī)和固定主軸鍛造機(jī)的 工作原理。圖14所示是此種旋

19、鍛機(jī)旋轉(zhuǎn)部分的示意圖。和固定主軸旋 鍛機(jī)不同，其主軸安裝在快速旋轉(zhuǎn)壓力滾柱殼體內(nèi)的慢速旋轉(zhuǎn)軸上， 因而便于對(duì)模具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)作較精密的控制。 a）閉合位置 b）開啟位置 圖14 蠕動(dòng)主軸旋鍛機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分 1-旋鍛主軸 2-模具 3-墊片 4-壓塊 5-滾柱保持圈 6-壓力滾柱 page 28 28 （4）交替打擊旋轉(zhuǎn)鍛機(jī) 也是一種固定主軸的外旋機(jī)。但是在工作頭 和滾柱保持圈旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，每旋轉(zhuǎn)30，相鄰的滾柱分別滑出和退出 保持圈凹槽一次。只有退出保持圈凹槽的滾柱，才有可能推動(dòng)壓塊和 模具，以產(chǎn)生打擊。圖15所示是此種旋鍛機(jī)旋轉(zhuǎn)部分示意圖。在這種 結(jié)構(gòu)中，當(dāng)兩個(gè)相對(duì)的滾柱推動(dòng)模具產(chǎn)生錘擊時(shí)，相距9

20、0的一對(duì)滾 柱處于滑出狀態(tài)，因此無(wú)錘擊產(chǎn)生。這種打擊方式，有利于清除工件 上的毛刺。 a）豎向打擊 b）橫向打擊 圖15蠕動(dòng)主軸旋鍛機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分 1-旋鍛主軸 2-模具 3-墊片 4-壓塊 5-滾柱保持圈 6-退回的壓力滾柱 7-滑出的壓力滾柱 page 29 29 （5）模具閉合型旋鍛機(jī) 實(shí)際上是與標(biāo)準(zhǔn)型旋鍛機(jī)是相同的，其差別 僅僅是在于增加了一套往復(fù)式的楔形結(jié)構(gòu)。它能使模具的開啟量大于 標(biāo)準(zhǔn)型旋鍛機(jī)允許送料的可能的開啟量。以適應(yīng)“凹進(jìn)鍛造法”的工 藝需要。圖16所示是模具閉合型旋鍛機(jī)的工作原理示意圖。在這種情 況下，模具的張合是借助能軸向運(yùn)動(dòng)的控制楔塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)，楔 塊替代了圖12-1

21、4中的墊片位置。既可用在外旋機(jī)上。也可用內(nèi)旋機(jī)上。 動(dòng)作時(shí)，楔塊后縮，模具開啟，送入材料；接著，楔塊前伸，模具閉 合，工件成形；最后，楔塊后縮至原位，模具開啟，取出工件。 圖16 模具閉合型旋鍛機(jī)的工作原理 a)送入材料 b）工件變形 c）取出工件 1-模具 2-楔塊 3-壓塊 page 30 30 此外，旋鍛機(jī)還可以根據(jù)壓力滾柱和壓塊的加載特征，而將旋鍛機(jī)分 成沖擊型的和壓縮型的；這主要取決于壓塊蘑菇頭頂部型線的設(shè)計(jì)。 圖17所示是旋鍛機(jī)上一般常見的具有代表性的壓塊蘑菇頭頂部型線形 式，其中圖17a是普通沖擊型壓塊的截面形狀，頂部型線走勢(shì)比較急突， 寬度相對(duì)較窄，提供的沖距也較小。圖中17b

22、是有正弦曲線特征的，走 向平緩，塊體較寬，沖程相對(duì)較大，屬壓縮型。圖17c是大半徑頂部壓 縮型；圖17d是硬質(zhì)合金置換長(zhǎng)壽命型?？梢栽O(shè)計(jì)成不同的特征形狀。 3、按加載特征分、按加載特征分 圖17 旋鍛機(jī)壓塊頂部的型線形式 a）普通沖擊型 b）有正弦曲線特征的壓縮型 c）大半徑頂部壓縮型 d）鑲塊置換型 page 31 31 圖18所示是沖擊型壓塊與壓縮型壓塊與加載性能的對(duì)比。可見，壓縮 型旋鍛機(jī)存在一系列的優(yōu)點(diǎn)，例如，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)過(guò)載峰值，噪音和 磨損都比較小；模具開啟時(shí)段較長(zhǎng)而模具閉合式時(shí)段較短，使旋鍛機(jī) 的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力系統(tǒng)得到了優(yōu)化；在壓力滾柱和滾柱保持圈之間無(wú)附加 的驅(qū)動(dòng)元素等。對(duì)于小縮減

23、率的工藝要求，沖擊型的旋鍛機(jī)的工作效 率是較高的。 圖18 沖擊型和壓縮型壓塊的加載性能對(duì)比 1-沖擊型壓塊 2-壓縮型壓塊 page 32 32 4.按模具數(shù)量分 旋鍛機(jī)還可以根據(jù)擁有模具的數(shù)量，分為兩模機(jī)，三模機(jī)、四模機(jī)、 六模機(jī)。大多數(shù)的旋轉(zhuǎn)鍛造是兩模機(jī)上進(jìn)行的，因?yàn)閮赡C(jī)的制造較 便宜。調(diào)整和維修也比較簡(jiǎn)單，三模機(jī)一般用于三角形截面的成形。 四模機(jī)對(duì)于由圓截面旋鍛成方截面特別有用，一般用于矩形、方形和 圓形截面的成形。六模機(jī)用于六角形截面的成形。由于旋鍛模具都是 裝在主軸的凹槽中，所以，要改變旋鍛機(jī)的模具數(shù)量，其主軸也應(yīng)予 以更換。 page 33 33 二、設(shè)備容量估算二、設(shè)備容量估

24、算 旋轉(zhuǎn)鍛造機(jī)的額定容量，一般建立在指定抗拉強(qiáng)度實(shí)心金屬材料的 旋轉(zhuǎn)鍛造承載安全基礎(chǔ)上。它可以用該設(shè)備旋鍛指定材料所能獲得 工件的直徑或錐體平均直徑來(lái)表示。通常，旋鍛機(jī)的容量受工作頭 強(qiáng)度的影響明顯，估算時(shí)，可近似認(rèn)為工作頭上的負(fù)載，等于工件 在模具壓縮狀態(tài)下的投影面積與加工金屬材料抗拉強(qiáng)度的乘積。因 此，如果受工作頭強(qiáng)度的限制，某兩模機(jī)的安全加工負(fù)載為 51000kg，則對(duì)于用75mm長(zhǎng)的模具旋鍛抗拉強(qiáng)度為414mpa的實(shí)心 金屬材料時(shí)，該機(jī)的額定容量為： * 負(fù)載 模具長(zhǎng)度 抗拉強(qiáng)度 相對(duì)長(zhǎng)度= =51000/75*414=16mm page 34 34 對(duì)于管料的旋轉(zhuǎn)，其設(shè)備容量受模具橫

25、截面積、管料抗壓 強(qiáng)度，還有主軸孔徑等的限制。壁厚在1mm以下的管料有 芯棒旋鍛，被認(rèn)為和實(shí)心棒坯的旋鍛是一樣的。由于摩擦 對(duì)金屬流動(dòng)的抑制作用，薄壁管的旋壓力較大，其值取決 于管的直徑和模具長(zhǎng)度。 page 35 35 對(duì)于壓縮型旋鍛機(jī)，其容量是根據(jù)其直徑及負(fù)載極限來(lái)確 定的，通常受到壓力滾柱和壓塊之間接觸應(yīng)力的限制。從 保證承載零件的安全壽命出發(fā)，此應(yīng)力一般不應(yīng)超過(guò) 1170mpa。以此為基礎(chǔ)，如果壓力滾柱和壓塊都是鋼制零 件，則壓縮型旋鍛機(jī)的極限承載能力可用下式確定： l徑向承載容量（t） n壓塊數(shù) l壓力滾柱的有效長(zhǎng)度（mm） dr壓力滾柱的直徑（mm） db壓塊頂部圓角直徑（mm）

26、0.002應(yīng)力轉(zhuǎn)化系數(shù) l= br br dd dd ni002. 0 page 36 36 四、旋鍛模的結(jié)構(gòu)要素四、旋鍛模的結(jié)構(gòu)要素 1、旋鍛模結(jié)構(gòu)類型 由于旋鍛是一種追求鍛件軸向伸長(zhǎng)效率的增長(zhǎng)類工序，所以其模具結(jié) 構(gòu)形狀也有著明顯的特點(diǎn)。根據(jù)旋鍛實(shí)踐中的各種應(yīng)用，概括出旋鍛 模具的九種典型結(jié)構(gòu)形狀，如圖19所示， 它們的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，如 下圖所述： 圖19 旋鍛模具的典型結(jié)構(gòu)形狀 a）標(biāo)準(zhǔn)單錐形模 b）雙錐形模 c）帶橫檔的錐尖模 d）漏斗形模 e）導(dǎo)向模 f）長(zhǎng)錐形模 g）單向延伸模 i）成形模 page 37 37 1）標(biāo)準(zhǔn)單錐形模是一種基本的旋鍛模，它是對(duì)坯料直徑進(jìn) 行直線縮減而設(shè)

27、計(jì)的。它首先用來(lái)將入模的料頭部弄尖以 利進(jìn)一步送進(jìn)，進(jìn)行直線壓縮。 2）雙錐形模也是為普通的直線縮減而設(shè)計(jì)的，所以也可以 完成與上述相同的工藝功能。但是雙錐形模可以換向使用， 因而可以獲得兩倍于但錐形模的壽命。 3）帶橫檔的錐尖模，主要用于工件端部錐形的最后成形， 其橫檔用來(lái)保證整個(gè)旋鍛錐尖等長(zhǎng)。此模也可以用于將入 模的棒料弄尖，以利進(jìn)一步送料. page 38 38 4）漏料形模是只用于熱旋鍛部分的一種用耐熱鋼制造的模 具。 5）導(dǎo)向模位于模具的前部，對(duì)于坯料起導(dǎo)向作用，用以保 證工件上的非旋鍛部分截面和縮減部分截面同心。縮減作 用僅在模具的錐形鍛生產(chǎn)。 6）長(zhǎng)錐形模在其整個(gè)長(zhǎng)度上都帶有錐度

28、，用以成形長(zhǎng)錐形 件。但是，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意模具上的錐形長(zhǎng)度，應(yīng)略大于工 件上的錐形長(zhǎng)度。 page 39 39 7）單向延伸模用于抗拉強(qiáng)度低的實(shí)心棒料和管料的大程度 縮減。與標(biāo)準(zhǔn)單錐形模相比，此?？梢孕懗鲚^長(zhǎng)的錐形 部分。 8）雙向延伸?？梢栽趦啥水a(chǎn)生延伸，以減輕厚壁管的旋鍛 難度和提供較長(zhǎng)的錐形部分。 9）成形模用于管料和棒料上成形特殊形狀。 page 40 40 2、旋轉(zhuǎn)模具結(jié)構(gòu)參數(shù) （1）模具側(cè)向有效間隙 實(shí)際上，所有的旋轉(zhuǎn)鍛造模都要 求有這個(gè)間隙，它可以起一定的緩沖保險(xiǎn)作用；也能使模 腔橫截面線型帶一點(diǎn)橢圓弧，以利金屬流動(dòng)。沒有這個(gè)間 隙時(shí)，金屬流動(dòng)會(huì)會(huì)受到極限，從而容易導(dǎo)致工件與模具

29、 的粘結(jié)。 為了做到有這個(gè)間隙，在模具設(shè)計(jì)與制造上有兩種做法：一是設(shè)計(jì)制 造一種帶240包角的兩塊式模，使其本身就具備這個(gè)間隙；二是在 加工制造兩塊模體的模腔型線時(shí)，賦予它一定的橢圓弧，從而也為 模具提供側(cè)向間隙。 page 41 41 圖20所示是帶240包角的兩塊模具設(shè)計(jì)。兩模體首先在無(wú)墊片情況 下合并鏜孔或磨削，加工出與工件接觸區(qū)（包角區(qū)）。然后，塞入 墊片，僅加工側(cè)向間隙區(qū)，鏜或磨削直至尺寸e=。式中，e是通過(guò)模 具節(jié)后處測(cè)定的對(duì)角線尺寸；d是模具入口處錐形段的直徑的1/10。 當(dāng)旋鍛管料時(shí)，墊片厚度隨其外徑/壁厚比而變化，對(duì)與該比值大于 等于30的薄壁管，其側(cè)向間隙接近于零。對(duì)于模具

30、直線段的側(cè)向間 隙，也遵循以上同樣的程序確定，但以旋鍛工件的直徑取代錐形鍛 件的最大直徑；錐形段和直線段采用等厚的墊片，且兩段之間應(yīng)光 滑過(guò)渡。 圖20 帶240包角的兩塊模具設(shè)計(jì) page 42 42 對(duì)于以橢圓弧為型腔線型的兩塊式模具，有兩種方法可 以獲取模中的橢圓弧。一種是在磨平的兩模面間塞入墊 片，組合到滿足一定間隙（兩模間的間隙，也即墊片厚 度）要求的情況下，進(jìn)行鏜孔或鉸孔。然后，除去墊片， 兩模面重新貼合所組成的模腔即是一個(gè)近似的橢圓形。 另一種方法是先將兩模體貼合，鏜孔至超過(guò)要求的尺寸， 然后再磨削模面，直至每半模型腔達(dá)到與旋鍛工件直徑 匹配的合適深度。 page 43 43 (

31、2)型腔橢圓度 基于上述模具側(cè)向有效間隙與型腔橢圓度的 關(guān)系，所以型腔橢圓度也是旋鍛模的一個(gè)不可少的結(jié)構(gòu)參 數(shù)。通常，橢圓度的量化數(shù)值是隨旋鍛材料的性質(zhì)旋鍛尺 寸而變化的。 （3）型腔出、入口端圓角半徑 對(duì)所有的旋鍛模，在型腔 的出、入口端都應(yīng)制出圓角。 （4）錐形段錐角 一般，橢圓形旋鍛模的錐角最大都不得 超過(guò)30。從方便材料入?？紤]，錐形段的錐角最好等于 或小于8。 page 44 44 另外，不能不提及，在保證旋鍛模側(cè)向有效間隙的兩種 方法中，用橢圓弧來(lái)獲得間隙的做法難以保證工件最滿 意的表面粗糙度、最小的尺寸公差 和較長(zhǎng)的模具壽命， 但是模具的延伸效率會(huì)相對(duì)較高；用在240包角以外專

32、門加工側(cè)向間隙的做法，可以使工件有較好的表面粗糙 度和較小的尺寸公差，而且模具壽命也較長(zhǎng)，但是模具 的工作效率低。運(yùn)用中依據(jù)要求權(quán)衡優(yōu)劣來(lái)選定。 對(duì)于四塊式旋鍛模，無(wú)圓度差的只用于薄壁的精整。對(duì) 于實(shí)心棒料和厚壁管的旋轉(zhuǎn)，以及帶心棒管料的旋鍛， 都要求采用橢圓形模具，因?yàn)閳A度差可以促進(jìn)旋鍛材料 的環(huán)向流動(dòng)和減小設(shè)備的負(fù)載。 page 45 45 五、管型件的旋鍛五、管型件的旋鍛 通常，管型件是最典型的旋鍛制品。同時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)鍛造 工藝一些自身特點(diǎn)的發(fā)揮和在包括汽車制造等多種領(lǐng)域的 推廣應(yīng)用，使得許多原本是實(shí)心的軸類零件也變成了管形 件，從而又豐富了管型件旋鍛的典型意義。 page 46 46

33、管料的旋鍛，分為有無(wú)芯棒旋鍛兩種： 1、無(wú)芯棒旋鍛 （1）使用場(chǎng)合 通常在以下一些場(chǎng)合采用無(wú)芯棒旋鍛： 1）需要同時(shí)減小管坯的內(nèi)、外徑，或增大管壁壁厚時(shí)。 2）產(chǎn)生錐形件時(shí)。 3）希望管件強(qiáng)度、公差小時(shí)。 4）產(chǎn)生疊層管時(shí)。 5）為管件的拉拔工藝，修整焊接管坯上的焊縫時(shí)。 page 47 47 （2）工藝影響因素 除了上述有關(guān)管坯類型不同會(huì)對(duì)旋鍛過(guò)程和鍛 件質(zhì)量產(chǎn)生影響外，其他的影響因素還有： 1）管坯的相對(duì)直徑。只有直徑/壁厚小于等于30的管坯才能順利地進(jìn)行 無(wú)芯棒旋鍛。這是因?yàn)樵谌魏吻闆r下，管坯都必須具有足以滿足其順 利進(jìn)入模送進(jìn)要求的柱強(qiáng)度。 2）模具的錐角。在旋鍛低碳鋼管且用用人工送進(jìn)

34、時(shí)，不應(yīng)超過(guò)8。 旋鍛較易變形的退火銅管時(shí)，錐角可達(dá)15。當(dāng)錐角超過(guò)15時(shí)，采 用機(jī)械和液壓送進(jìn)。 3）縮減率。對(duì)于在無(wú)芯棒旋鍛過(guò)程中的管料長(zhǎng)度和壁厚變化，都會(huì)構(gòu) 成一定的影響。通常，隨著縮減率的增大，壁厚的增大會(huì)比長(zhǎng)度的增 大來(lái)得明顯。關(guān)于無(wú)芯棒旋鍛管料時(shí)所能得到的管壁厚度，可以用經(jīng) 驗(yàn)公式來(lái)估算，其誤差為10%左右： page 48 48 4）管料送進(jìn)速度。一般情況下的送進(jìn)速度為1500mm/min左右。對(duì)于 管料直徑/壁厚大于30的情況下，無(wú)芯棒料旋鍛時(shí)的送進(jìn)速度要降至 500mm/min以下，甚至降到250mm/min的極低速度。但對(duì)于容易旋鍛 材料簡(jiǎn)單錐形件的旋鍛，送進(jìn)速度可高近50

35、00mm/min。 5）工藝潤(rùn)滑應(yīng)小心對(duì)待。由于在無(wú)芯棒旋鍛中，潤(rùn)滑對(duì)管、棒料的送 進(jìn)條件都構(gòu)成了不利的影響，所以在一些旋鍛工序中不再使用潤(rùn)滑劑。 使用潤(rùn)滑劑的主要缺點(diǎn)是在送料時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的反流，特別是在模具入 模錐角較大時(shí)，更易對(duì)送進(jìn)造成困難。通常，只有當(dāng)模具入模錐角不 超過(guò)6時(shí)，才可以考慮使用潤(rùn)滑劑。如能使用，則一般可獲得表面光 潔的制件。 page 49 49 （3）長(zhǎng)錐形件旋鍛實(shí)例）長(zhǎng)錐形件旋鍛實(shí)例 在長(zhǎng)錐形件旋鍛中，采用焊接管作管坯時(shí)會(huì)產(chǎn)生困難，因?yàn)楣芘鞅静?和焊縫的硬度不同，容易招致缺陷。但如果只能以焊接管作坯，則必 須嚴(yán)格要求焊后熱處理的質(zhì)量。 通常，在管料旋鍛工藝中，除使用標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)

36、度模具外，還使用一種加長(zhǎng) 型的模具。對(duì)擬旋鍛的錐形件而言，如果錐形件的總長(zhǎng)比一種模具的 長(zhǎng)度還要短，則該錐形件可用該模具在一個(gè)工序中就可以旋鍛出來(lái)。 但如果錐形件只能通過(guò)模具的合理配置，在多工序操作中旋鍛出來(lái)。 page 50 50 在考慮具體的長(zhǎng)錐形件所需要的工序數(shù)時(shí)，除了錐形件的 長(zhǎng)度和所用模具的長(zhǎng)度外，還應(yīng)考慮到： 1）在模具入口處，由于圓角半徑的設(shè)置和易于磨損等原因， 約有910mm的長(zhǎng)度范圍在旋鍛過(guò)程中是不起作用的，在 工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)予以扣除。 2）模具在每?jī)蓚€(gè)相鄰的工序位置上，由于制件表面連接流 暢的需要，應(yīng)有25mm長(zhǎng)的重疊段。 3）同樣出于工序連接和工序中穩(wěn)定性考慮，除最后工序所

37、 用的模具外，其他工序的模具型腔應(yīng)為兩段組成，在錐形 段的盡頭外還應(yīng)有25mm長(zhǎng)的直線段。 page 51 51 這樣，如果要在直徑32mm的低碳鋼管坯上，旋鍛出小端直 徑12.7mm長(zhǎng)760mm的錐形件，可以按圖12-27所示的工序 旋鍛出來(lái) 。前三道工序用250mm假長(zhǎng)模；最后工序用 210mm長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)模；模具入口留有9.5mm的余量；每一后續(xù) 錐形段采用25mm的重疊重量；除最后工序中的錐形段外， 留有25mm的直線過(guò)渡段。 page 52 52 所有四道工序在同一設(shè)備上完成。在每到工序中，管料穿 過(guò)模具送至擋料塊，并在每到工序中縮減管料至圖21中所 示的相應(yīng)直徑。每次送進(jìn)長(zhǎng)度由擋板控制，

38、以保證前、后 形成段的光滑連接。 圖21 長(zhǎng)錐形件的四工序旋鍛示意圖 page 53 53 同樣，對(duì)于上述同一種錐形件，也可以改用455mm長(zhǎng)的加 長(zhǎng)模，按圖22所示的兩工序工藝旋鍛出來(lái)，而且效率高于 四工序方案。 通常，加長(zhǎng)模比標(biāo)準(zhǔn)模的成本約高出1/3，因此，在對(duì)旋鍛 工藝做出最后取舍之前，應(yīng)對(duì)其綜合成本做出正確的評(píng)估。 圖22 32mm*12.7mm*760mm長(zhǎng)錐形件的兩工序旋鍛示意圖 page 54 54 2、有芯棒料旋鍛 （1）使用場(chǎng)合 在旋鍛時(shí)，對(duì)于以下的應(yīng)用都需要用到芯棒： 1）在縮減管料外徑而希望內(nèi)徑尺寸保持不變時(shí)，或者希望減小內(nèi)徑公 差時(shí)。 2）在薄壁管的直徑縮減中，希望整段

39、薄壁管都得到支撐時(shí)。 3）希望在管坯的內(nèi)表面形成花鍵。螺旋等形狀，或?qū)A孔該鍛成異型 孔。 4）當(dāng)管坯較長(zhǎng)，需要對(duì)伸出模具前端的部分提供支撐時(shí)。 page 55 55 （2）常用芯棒的類型 旋鍛長(zhǎng)用芯棒的類型，如圖23所示。 1）塞式芯棒（圖23a）由芯棒和直徑較細(xì)的芯棒桿組成。芯棒通常處 在旋鍛模中間位置，比模具略長(zhǎng)。操作時(shí)，管坯先套入芯棒桿，在塞 入芯棒與模具間的縫隙中。為使管件方便卸出，芯棒和芯棒桿是可以 拆分的。 page 56 56 2）軸式芯棒 （圖23b）安裝在旋轉(zhuǎn)芯棒夾持器上，此類 夾持器允許管坯和芯棒不動(dòng)時(shí)，再將管坯送入模內(nèi)。 page 57 57 3）低熔合金芯棒（圖23c

40、）有時(shí)用于支撐旋轉(zhuǎn)鍛造中的薄 壁管，旋鍛結(jié)束后，低熔合金屬融化流出。 page 58 58 4）薄壁管用芯棒（圖23d）安裝在模具前方的固定夾持器 內(nèi)。芯棒上套有一個(gè)送料環(huán)，可以沿芯棒前后滑動(dòng)。管坯 從芯棒前方套入。套入前，芯棒上的送料環(huán)向后滑；套入 后，送料環(huán)在向前滑，在芯棒向前送的同時(shí)將管坯送入模 內(nèi)。 page 59 59 5）整長(zhǎng)式芯棒（圖23e）由一整長(zhǎng)的鋼棒制成，上面沒有 其他的附屬零件，其長(zhǎng)度稍長(zhǎng)于成形管件。工作時(shí)，管坯 先套入芯棒，然后兩者一起進(jìn)入模具。 page 60 60 (3)工藝影響因素 一般，對(duì)無(wú)芯棒旋鍛工藝產(chǎn)生影響的一些因素， 對(duì)有芯棒旋鍛工藝過(guò)程及效果也是有影響的

41、，例如管坯類型、模具錐 角、管坯送進(jìn)速度、縮減率和潤(rùn)滑方法等，只不過(guò)對(duì)有些因素，在影 響規(guī)律上會(huì)有所不同。概括起來(lái)，其主要影響因素有： 1） 設(shè)備容量的大小，一般在有芯棒旋鍛情況下，應(yīng)較在無(wú)芯棒旋鍛時(shí) 有所增大。因?yàn)楣倥鞯挠行景粜?，?shí)際上已應(yīng)被視為實(shí)心棒旋鍛， 其旋鍛設(shè)備容量的估算，也應(yīng)變換為以縮減實(shí)心材料的能力為基礎(chǔ)。 2）旋鍛模的橢圓弧，也應(yīng)較無(wú)芯棒旋鍛模有所增大，因?yàn)闄E圓弧較小 時(shí)，旋鍛中容易使管坯與芯棒壓的過(guò)于緊密，導(dǎo)致芯棒從工件中退出 困難。一般，管坯的直徑和壁厚越大，有芯棒旋鍛模的橢圓弧也應(yīng)相 應(yīng)增大。 page 61 61 3）縮減率的增大，在有芯棒旋鍛工藝中通常被用來(lái)改善工件

42、內(nèi)、外表 面和內(nèi)成形的質(zhì)量。然而，旋鍛時(shí)縮減的增加，又受限于設(shè)備能力。 管料送進(jìn)力、影響送進(jìn)力的模具錐角和送進(jìn)速度、管坯材料及其冶金 狀態(tài)等一系列因素，所以工藝中應(yīng)注意對(duì)縮減率的綜合考慮和協(xié)調(diào)應(yīng) 用。通常，對(duì)于經(jīng)球化退火后的普通碳鋼和韌性合金，才可以旋鍛到 大于40%的縮減率，否則，應(yīng)考慮縮減率的均衡取值，并在兩個(gè)縮減 工序之間增加中間退火，以避免追求工件內(nèi)、歪歪表面質(zhì)量的同時(shí)， 而招致產(chǎn)品開裂報(bào)廢的后果。 4）芯棒的壽命在有芯棒旋鍛工藝中是至關(guān)重要的。根據(jù)芯棒在旋鍛操 作中的工作條件，它既要抗壓，也要耐沖擊，而且還要具備一定的耐 熱性能。所以，對(duì)于旋鍛芯棒，首先要注意它的材料和加工、熱處理 質(zhì)量，使