维普资讯 http://www.cqvip.com 双头呆扳手多道连续制坯一成形辊锻工艺 一／上海交通大学塑性成形工程系教授 洪慎章 【摘要】文中叙述了双头呆扳 手塑性变形的工艺分析、设计辊 连续制坯一成形辊锻工艺与 旧工艺相比，最大的区别就是改 部一摩擦压力机上热模锻一压 力机上切边。该工艺所制得的锻 件图、确定局部小毛边槽型式及 变生产率较低的设备（摩擦压力 件存在尺寸精度低、表面质量差、 尺寸、计算毛坯截面图及直径图、 机）效率，即模锻时上模按上、下 材料利用率低及生产率低等严重 确定辊锻道次、选择毛坯尺寸、制 往复运动来完成工件的塑性成形， 缺点。 坯辊锻变形量的分配及计算制坯 而连续辊锻技术是应用专用辊锻 从图ｌ双头杲扳手零件的形 辊锻的毛坯尺寸。介绍了双头呆 机，即在制坯辊锻模和成形辊锻 状及尺寸和由塑性变形分析可知， 扳手辊锻模具结构设计及其生产 模上都有相应的４或５个双头杲扳 它较为特殊，具有三大特点：１该 过程。阐明了采用多道连续辊锻 手型槽，使加热的棒料，经过这些 零件的长度与宽度、高度的尺寸 工艺代替传统旧工艺的优点。 辊锻模具就能完成多工件连续轧 相差较大；２零件沿长度方向的横 制的双头杲扳手锻坯。如专用辊 截面积变化较大；３面与面之间的 １概述 锻机的转数每分钟为３０ｒ／ｍｉｎ， 尖角较小，圆角半径为０．５ｒａｍ。因 则每小时可得很高的生产率４（５） 此，在拟定辊锻工艺及模具形槽 全国数百家手工具厂及公司 ×３０×６０＝７２００（９０００）件／ｈ。 设计时，必须要考虑这些因素。 在双头杲扳手塑性成形工艺上还 都是采用传统的、落后的模锻工 ２双头呆扳手工艺分析 通过辊锻技术分析，根据双 头呆扳手的形状及尺寸，可采用 艺进行生产，存在着“四低”（材 双头杲扳手材料为５０号优质 多道连续制坯——成形辊锻工艺 料利用率低、设备效率低、模具寿 碳素结构钢，图ｌ为８×１０规格 代替镦头机上镦两头、滚轧机上 命低及生产率低）及“三高”（加 的双头杲扳手零件图。两头热处 拔长杆部及摩擦压力机上热模锻。 热能耗高、劳动强度高及锻坯成 理淬火回火的硬度为ＨＲＣ４２—４７。 它的塑性成形工艺生产流程主要 本高）等严重缺点。当前，在已加 零件形状呈两头粗大，中间杆状 包括：圆棒高速锯切下料一感应 入世界贸易组织（ＷＴＯ）的形势 的长轴类锻件。旧工艺的生产过 加热一三道连续制坯一成形辊锻 下，双头杲扳手产品的价格及产 程主要包括：棒材下料一毛坯加 一压力机校正一压力机切边。 量已不能满足目前手工具行业中 热一剥壳机上清除氧化皮一镦 剧烈竞争中的要求，为了改变落 头机上镦两头一滚轧机上拔长杆 ３双头呆扳手工艺设计及计算 后的热加工工艺、提高生产率及 ３．１设计辊锻件图 锻坯质量、改善工人的劳动条件 辊锻生产过程、工艺规范制 及降低锻坯成本，借鉴国内外有 订、模具设计、辊锻件检验及辊锻 关资料及生产实践。建议采用一 模具制造等都离不开辊锻件图。 种少无切削、行之有效的多道连 辊锻件图的设计一般应考虑解决 续制坯一成形辊锻工艺。 图１双头呆扳手零件图 下列问题： 维普资讯 http://www.cqvip.com （１）确定分模面位置 辊锻件分模面位置合适与否， 关系到辊锻件的成形、辊锻件出 定余量及公差、出模斜度、圆角半 径，基本上与普通模锻工艺相似。 但由于采用精密下料、感应加热 方法、合理分布金属的制坯辊锻 工序及采用小毛边槽结构型式， 毛边槽，金属坯料是在上下辊锻 模所形成的闭式型槽内成形的。 双头呆扳手的两端头部计算 毛边时，设计毛边宽度Ｌ 的数值 见表ｌ。计算所得的小毛边截面积 模、材料利用率、辊锻模具加工等 一系列问题。确定分模面位置的 最基本原则是保证辊锻件的形状 及尺寸尽可能与零件形状相同和 辊锻件容易从辊锻模型槽中取出。 故其工艺参数的数值相应地比常 Ｆ 列于表ｌ。３－３计算毛坯截面图及直径图 规方法要小。 根据如上所得的数据可绘制 辊锻成形时，最好先将等截 面的棒料辊锻制成不等截面的中 间毛坯，使其每一横截面面积等 于辊锻件的相应截面积，然后将 此外，还应争取获得镦粗充填成 双头杲扳手辊锻件图，其形状基 形的良好效果。为此，根据双头呆 本上与图ｌ相似，故从略。 ３．２确定局部小毛边槽型式 及尺寸 扳手的形状特点，选择分模面位 置为零件高度上中线所在的水平 面（见图ｌ所示）。 （２）其它工艺参数 设计辊锻件图时，还需要决 ６ Ｉ— 中间毛坯经过成形辊锻模具进行 成形辊锻，这样，可保证辊锻模具 型槽各处金属足够，充填良好，模 具型槽的磨损也小。这种理想的 双头呆扳手锻件两端头部的 形状复杂，难以充满型槽，为了满 足其金属体积，故在其轮廓四周 选用如图２的小毛边槽型式，其尺 寸为： ｈ ＝ｌｍｍ，ｈ＝３ｍｍ，ｂ＝８ｍｍ，ｂｌ０ｍｍ。 ６， 中间毛坯称为“计算毛坯”。计算 毛坯可用计算毛坯截面图及计算 毛坯直径图来表示，两者统称为 ． Ｉ ＇／／／． ／／／／．， ｒ Ｊ ，＝ １ １’ ，ｒ／／／． ＼＼ 图２小毛边槽型式 Ｉ 计算毛坯图。 计算毛坯截面图是沿辊锻件 因双头杲扳手的杆部体积能 表１ 双头呆扳手辊锻件计算数据 正确计算而容易成形，故不设置 轴线方向截面积变化的图像。计 毛边截面积 辊锻件截面积 毛坯截面积 Ｆ毛，ｍｍ Ｆ锻，ｍｍ Ｆ计 Ｆ毛 Ｆ锻 ｍｍ‘ ２４ １４ ０ ５０ ２４ ６４ 断面编号 ＮＱ １一ｌ ２—２ 毛边宽度 ２Ｌ毛，ｍｍ ２４ １４ 计算毛坯截 图高度 ｈ计 Ｆ计／Ｍ ４８ ｌ２８ 计算毛坯直径 图的直径 ｄｔｔ＝１．１３ ５．５４ ９Ｏ｛ ３—３ ４—４ ５—５ ６—６ ７—７ ８—８ ｌ２ ｌ０ ｌ０ ｌ０ ０ ０ ｌ２ ｌ０ ｌ０ 女 ７９ ９０ ９０ ４０．４ ３５４ ３２．９ ９ｌ ｌ００ ｌ００ ５０．４ ３５＿４ ３２９ ｌ８．２ ２０ ２０ ｌ０．０８ ７．０８ ６５８ ｌ０．７８ ｌｌ－３ ｌｌ－３ ８．ｃｌ２ ６．７２ ６．４８ ｌ０ ０ ０ ９—９ ｌ０一ｌ０ ０ ｌ０ ０ ｌ０ ３ｏ．４ ３２９ ３０４ ４２．９ ６．０８ ８．５８ ６．２３ ７．４０ ｌｌ—ｌｌ ｌ２一ｌ２ １０ １０ ｌ０ ｌ０ ８ｌ ９０ ９ｌ １００ ｌ８．２ ２０ ｌ０．７８ ｌｌ＿３ ｌ３一ｌ３ ｌ４—１４ １２ １４ １２ １４ ７０ ３６７ ８２ ５ ７ ｌ６．４ １０．１４ ｌ ０．２３ ８ ｌ５一ｌ５ ２４ ２４ ０ ２４ ４．８ ５．５４ 维普资讯 http://www.cqvip.com ，２ ３４ ｓ ５ ７ ｌ ｌ４Ｉ ＩｌＩ Ｉ Ｉ ・Ｓ 的最大截面尺寸，可按下式确定 毛坯的截面积： Ｆ＝Ｋ‘Ｆ Ｏ ｍａｘ 式中Ｆ —毛坯截面积，ｍｍ２ Ｃ ） Ｆ ２，● ‘７ ｌＩ Ｉｌ ｌ ｌ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ Ｉｌ Ｉ ｆｅ｝Ｉ¨ 。 辊锻件最大截面积，ｍｍ Ｋ一截面增大系数，Ｋ＝１．１～２．０ 按本辊锻件的数据代入上式得 Ｆ＝１．１ Ｘ １００＝１ １０ｍｍ２ ’ Ｉｔ淄 则双头呆扳手的毛坯直径为 Ｃ６） ＝１．１３ ＝１．１３√Ｉ１０＝ｌ１．５４ｒａｍ 按钢材手册中的标准，应取 圆钢直径为 １２ｍｍ。单件毛坯尺 寸为 １２ｍｍ Ｘ ７２ｍｍ。为了提高 （ＣＪ 生产率及减少料头损耗，采用１料 图３双头呆扳手计算毛坯截面图及直径图 ａ．辊锻件图ｂ．截面图ｃ．直径图 ４件的排样方法，其毛坯之间的搭 边长度为２ｍｍ。则毛坯的总长度 为４×７２＋３×２＝２９４ｍｍ。 算毛坯直径图是沿辊锻件轴线方 比例系数Ｍ对双头呆扳手辊 向直径变化的图像。两者都反映 锻件宜取Ｍ＝５，即ｌｍｍ的ｈ 等 ３．５确定辊锻道次 了沿辊锻长度（轴线）上金属分布 于５ｍｍｚ的断面积。分别计算了各 的情况。 首先从双头呆扳手辊锻件图 上选出若干典型断面卜１～１５— １５，计算出各断面处的辊锻件截 面积Ｆ鼹，列于表１。 选择辊锻道次对保证辊锻件 的成形及提高生产率有很大的影 个断面的ｈ 之后，具体数值列于 表１中，便可在坐标纸上作出计算 响。如果选择道次过多，则将增加 毛坯截面图，如图３ｂ。同样，可 辊锻模具的数量，甚至还会增加 以算出各断面的计算毛坯直径图， 具体数值列于表１中，计算毛坯直 根据图３ｃ计算毛坯直径图曲 直径ｄ正＝８．５８ｍｍ，又按图３ｂ计算 毛坯截面图曲线所包含的面积乘 辊锻设备，同时延长了工艺操作 由于双头呆扳手杆部的形状 径图的特征见图３ｃ。 较简单，成形辊锻采用局布开式 型槽及两头为开式小毛边型槽， 这样可增加延伸效率及减少辊锻 道次。 的辊锻模具，即杆部为闭式辊锻 线，用坐标纸法计算出平均毛坯 其长度就是所需的双头呆扳手辊 锻件体积。 计算毛坯截面积是辊锻件截 面积与毛边截面积之和，即Ｆ ＝Ｆ 锻＋Ｆ毛。其数据列于表１。 为了绘制计算毛坯的截面图， 应把辊锻件各断面积换算为相应 的计算毛坯截面图高度ｈ ｈ｛＋＝Ｆ｛＋／Ｍ ３．４选择毛坯尺寸 由于辊锻过程使毛坯在每一 道变形时，除了少量金属展宽外， 大部分金属都沿辊锻件轴向被延 伸，使毛坯横截面不断减小。因 图４制坯辊锻的毛坯尺寸 ａ．毛坯尺寸ｂ．第一道毛坯尺寸 第二道毛坯尺寸 此，选择毛坯截面应大干辊锻件 维普资讯 http://www.cqvip.com 时间，使生产率降低。反之，如果 辊锻道次过少，则将使金属分配 不合理或使金属变形加剧，影响 继续辊锻，以致得不到所要求的 锻件尺寸。 根据辊锻道次的计算及双头 呆扳手锻坯工艺的分析，辊锻道 次Ｎ为３，即设计成三道辊锻工 序：第一道、第二道为制坯辊锻， 的毛坯尺寸是根据上述平均压下 量的合理分析及选择最佳的辊锻 型槽系列所得，其形状及尺寸见 图４所示。 第三道为成形辊锻。 ３．６各道工序变形量的分配 ４双头呆扳手辊锻模具设计 确定制坯一成形辊锻道次的 主要依据是金属延伸量的大小及 辊锻件成形的难易程度，可按下 １模具型槽类型 由于毛坯是在ｌ１５０￣Ｃ高温下 ４．模具型槽按其作用可分为开 进行辊锻变形的，而且开始辊锻 式型槽和闭式型槽两种。根据双 式初步确定辊锻道次Ｎ： 时变形产生的变形余热会使毛坯 Ｎ＝ｌｇ入／ 入 的温度略有升高，随时间的推移， 头呆扳手辊锻工艺分析的要求， 总延伸系数入等于毛坯横截 毛坯温度逐渐下降。根据这种情 两头采用开式型槽，杆部采用闭 面积Ｆ 与辊锻后锻件最小截面积 况，其压下量应逐渐减小。 式型槽。所谓闭式型槽，就是一个 Ｆｎｌｉｎ之比，即入＝Ｆｏ／Ｆｎｌｉｎ。根据 最后一道成形辊锻可采用中 辊锻凸模（上辊锻模）伸入到另一 上述所计算的数据代入得入 温辊锻，以获得较高的尺寸精度 个辊锻凹模（下辊锻模），形成闭 ＝ｌｌ３／３０．４＝３．７。 与较光洁的表面。为此，该道辊锻 式型槽，其上、下辊锻模的分模线 平均延伸系数入 一般为 的压下量应取得小一些，即△ 在辊锻型槽之外，如图５所示。闭 １．５～２．５，对本双头杲扳手取入 ｈ＝１．５～２ｍｍ。 式型槽金属宽度受到，可以 ＝１．７。 在计算各道辊锻工序变形量 增大延伸量，强化辊锻过程，并可 代入上式得 的分配时，要求各截面及截面的 得到截面几何尺寸精确的毛坯， Ｎ＝ｌｇ３．７／ １．７＝２．４７ 各个部分压下量一致，以保证各 没有毛刺或毛边。另外，在水平方 个截面及截面的各个部分有均匀 向具有不均匀变形时，闭式型槽 的延伸量，这样可以避免辊锻件 还有利于由不均匀变形而引 产生弯曲。 起的坯料出模时水平方向的弯曲。 ３．７计算各道辊锻的毛坯尺寸 开式型槽的形状与普通热模锻工 ２ 根据上述的工艺分析及理论 艺相同，不再详述。 计算可知，第三道成形辊锻毛坯 ４．２模具型槽纵向尺寸的确定 圈５ 闭式辊锻型槽 就是双头呆扳手的锻件尺寸（图 模具型槽的几何尺寸是按热 １．上辊锻模２．下辊锻模 １），而第二道及第一道制坯辊锻 辊锻件图及第二道和第一道毛坯 表２ 双头呆扳手辊锻工艺过程 序号 序号 设 备 ｌ 备料 １２ｍｍ×２９４ｍｍ ＧＢ４０２５型卧式带锯床 ２ 加热ｌ１５０１２ ２５０ＫＷ感应加热装置 ３ 第一道制坯辊锻 Ｄ２００－３Ｋ型三机架辊锻机 ４ ． 第二道制坯辊锻 Ｄ２００—３Ｋ犁＝机架辑锻机 ５ 第三道成形辊锻 Ｄ２００—３Ｋ犁＝机架辑锻机 ６ 校 正 Ｊ２３—４０型开式可倾压力机 ７ 切 边 Ｊ２３—６３型开式可倾压离机 维普资讯 http://www.cqvip.com 尺寸（图４）进行设计。但由于辊 件的工艺分析及其计算，就可制 锻时产生前滑现象，所以在设计 订双头呆扳手多道连续制坯一成 变形时辊锻模具型槽只与毛坯的 一部分接触，故所需的变形力较 各道模具型槽的纵向尺寸时，必 形辊锻工艺的生产过程。５．１双头呆扳手辊锻生产的工艺 须加以考虑，并按下式计算： ｅ＝Ｌ／（Ｉ＋ｓ１ 式中Ｌ一对应于模具型槽弧 长ｅ的辊锻件长度，ｍｍ 过程 双头呆扳手辊锻工艺过程见 表２。 小。另外，也代替了镦头机和滚轧 机制坯及摩擦压力机模锻的落后 设备。 （４）模具寿命高因为辊锻 制坯成形工艺都是一个连续静压 的塑性变形过程，其变形区呈线 性接触，不在整个平面模具型槽 内，所以辊锻模具寿命比旧工艺 提高ｌ０倍以上。 ２确定加热温度 ｅ一对应于辊锻件长度Ｌ的 ５．为了使双头呆扳手具有一定 模具型槽上的弧长，ｍｍ Ｓ一前滑率 前滑率的大小是受坯料尺寸、 的耐磨性及强度等要求，因此必 须采用５０号优质碳素结构钢。另 压下量、辊锻温度、模具润滑及其 外，由于多道连续制坯一成形辊 它因素的影响，须经过详细计算 锻工艺的需要，在高温时金属材 与多次试验才能决定。一般可按２ 料有较好的塑性及较低的变形抗 （５）辊锻过程的冲击、振动 及噪音公害小，能符合环保要求， 更重要的是其噪声从９０ｄＢ可降到 ％～５％的经验数据选取。 ４．３辊锻模具材料 属与型槽表面间剧烈地相对运动 力；但也不能过高，因为容易形成 较多的氧化皮。根据有关资料可 ｌｌ５０℃。 ２０ｄＢ，从而大大改善劳动条件。 （６）易于实现机械化与自动 Ｃ～ 辊锻时，一方面由于变形金 得，辊锻温度可以选用１０００￣化由于辊锻是连续地局部成形过 程，只要把几道辊锻模具的前后 的相衔接调整合理，形成一定节 造成模具型槽表面的磨损；另一方 ６双头呆扳手辊锻工艺的优点 拍的变形规律，故易于实现机械 面辊锻模又在反复受热和冷却的 从上述新旧两种工艺相比， 化与自动化。 条件下工作，通常模具受热的温度 多道连续制坯一成形辊锻工艺具 可达３５０～５００＂Ｃ，在散热条件较差 ７结束语 有如下优点： 的地方甚至高达５００～６００℃，故模 （１）生产率高按８×ｌ０规 多道连续制坯一成形辊锻工 具内部在交变应力的作用下极易 格双头呆扳手为例，在一副辊锻 艺在我国还是一个比较新的锻压 形成热疲劳裂纹。根据上述辊锻 模具上可布置４或５件锻坯，如 工艺，它是生产成批手工具锻件 模的工作情况，要求模具钢的基 辊锻机的辊锻转数每分钟为 的一种行之有效的方法，具有提 体不能太软，否则型槽表面还没 ３０ｒ／ｍｉｎ，则每小时可得４（５） 高工件精度、节约材料、降低能 有损坏，模块就产生压塌变形，辊 ×３０×６０＝７２００（９０００）件／ｈ， 耗、减少设备投资、显著提高生产 出的双头呆板手将达不到形状及 与旧工艺相比，其生产率提高了 率、改善劳动条件，达到降低锻件 尺寸的要求。同样，要求型槽表面 ｌｌ～ｌ４倍。 成本的目的。 有较高的硬度，否则型槽表面还 （２）材料消耗少。辊锻件尺 没有产生龟裂就磨损，辊出的双 参考文献： 头呆扳手同样达不到精度要求。 寸稳定，由于采用闭式制坯辊锻 双头呆扳手辊锻模具的材料采用 ５ ＣｒＭｎＭｏ合金模具钢，热处理硬 度为４８～５２ＨＲＣ。 及局部开式成形辊锻工艺，能合 理分配金属，从而获得较好的制 １洪慎章：辊饺工艺［Ｍ］ 上海交通大学出版社，１ ０７６。 坯尺寸，故明显节约材料，约 ｌ５％～２０％以上。 ２洪慎章：增压器动叶 片辊饭［Ｍ］北京：国防工业 出版社，１ ０８１。 ５双头呆扳手辊锻生产工艺的制订 （３）所需设备吨位较小由 通过上述对双头呆扳手辊锻 于辊锻是逐渐连续的变形过程，
