螺钉旋具锻模优化设计

沧海一笑

螺钉旋具是150系列大功率高速柴油机的随车工具之一，其锻件表面绝大多数不进行机械加工。如图1所示的是螺钉旋具的锻件毛坯图，其锻件横截面积较小，形状较简单，为长轴类锻件。该锻件成形的工艺过程为：下料→加热→模锻→切边→磨削→热处理→检验。该工艺的关键是模锻，模锻的关键是锻模设计。原镶块锻模模膛设计有1个滚挤制坯模膛和1个终锻模膛。在其滚挤制坯时，因锻件长而横截面积小，坯料降温速度快，制坯效率反而低下;与其他随车工具锻件相比，尺寸一致性较差，合格品率较低;在生产过程中，因磨损和塑性变形报废的螺钉旋具锻模约占80%，锻模使用寿命较低。因此，合理的锻模设计是提高螺钉旋具锻件质量、锻造效率、锻模使用寿命及降低锻模和锻件成本的关键。
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图1 螺钉旋具锻件毛坯图1 镶块锻模优化设计
5 X7 s; J$ j% O! T锤锻模的主要失效型式是磨损、塑性变形与断裂。防止锻模过早失效、提高锻模使用寿命、使用性能和降低锻模与锻件成本的方法很多，而双模膛锻模优化设计则是一种行之有效的方法。
1.1 锻模图
优化改进设计的螺钉旋具镶块锻模如图2所示。镶块锻模的结构为1个拔长制坯模膛和2个终锻模膛。其模锻的工作过程为：先将选材和加热合理的坯料一端拔长，然后将拔长后的坯料放在任意一个终锻模膛中终锻成形。
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图2 螺钉旋具镶块锻模图1.2 拔长模膛
. Y. J$ K! z, ?* o; Q+ l) a该拔长模膛的设计形式与设计参数有别于有关锻造文献介绍的传统设计，且优于原滚挤模膛制坯设计的功能。根据锻件形状特点，特采用形状简单的楔形平台拔长模膛(在上模拔长模膛设计有2°的拔长斜度)，其可合理分配金属的变形量，获得小而均匀的飞边，使锻造纤维均匀连续地沿零件外形分布，因此，可有效地提高坯料拔长效率，提高材料利用率和获得良好的锻件性能。
1 z8 h0 H& {% \1.3 终锻模膛
锻模工作条件差，使用寿命低，磨损和塑性变形失效约占70%，断裂失效(以疲劳断裂为主)占25%~30%，而其使用寿命又取决于锻模终锻模膛的使用寿命。锻件毛坯的锻造温度为850℃～1200℃，坯料在终锻模膛中锻造时，终锻模膛突然受高温急热，温度可达400℃～600℃。锻模疲劳断裂的过程为：应力集中→产生裂纹→造成新的应力集中→促进裂纹扩展→最后断裂。因此，在锻模材料、制造、热处理、使用和维修等皆合理的前提下，热锻件与模具接触时间、模具工作频率和锻模终锻模膛受热温度直接影响模具使用寿命。锻模终锻模膛受热温度可按下式计算：
, g& D1 [" ^& C& R  [  ]; vt=0.38t1+0.62t2
1 l/ d1 ?; H0 E5 W- n式中 t―锻模模膛的受热温度，℃；
t1—被加工坯料的温度，℃；
t2 —锻模模膛的原始温度，℃。
5 P/ d: N* I# T) G# a, o# \5 @5 ^+ `9 i显然，合理的2个终锻模膛结构优于原设计的1个终锻模膛结构设计的功能，尤其是在螺钉旋具终锻时，交替使用2个终锻模膛，可更有效地减少热锻件与模具终锻模膛的接触时间、减少模具工作频率和减少模具温升过高，从而可提高锻造效率，减小减缓锻模模膛磨损、塑性变形和断裂失效，相应提高了模具寿命，锻件尺寸一致性好。
# [7 v# G  E/ K0 s  i. o优化设计的镶块锻模，具有结构紧凑而强度又足够的特点。在镶块锻模终锻模膛设计中，2个终锻模膛中心线位于锻模模座的燕尾宽度之内，以减小偏心力矩。当锻件模锻斜度为7°，内圆的半径为R2mm时，2个终锻模膛的距离S按传统的预锻模膛到终锻模膛距离公式设计，S=Kh=1.5×22=33mm，取S=35mm。这样，既能保证镶块锻模模膛之间有足够的强度，又能满足锻模在锻造安装使用时1吨模锻锤终锻模膛与燕尾中心线偏心距离不超过25mm的要求。
' h, s7 a0 R1 p/ v% P2 小结
(1) 拔长模膛和双终锻模膛设计形式及参数是影响螺钉旋具锻模设计成败的关键。
(2)生产实践表明，螺钉旋具的双模膛镶块锻模结构显著优越，锻模使用性能可靠，使用寿命长，锻造效率高，锻件质量好，锻件合格品率高和材料利用率高，从而可有效降低锻件成本，具有明显的可行性、实用性和效益性。
0 N9 H" |, r! b' m' s. J文章关键词： 螺钉、机械设计