一體式活塞桿鐓鍛工藝研究

曹 毅，賈丙軍

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)大隊(duì)，河北邯鄲 056006）

0 引言

作為液壓油缸的傳動部件，活塞桿是油缸生產(chǎn)中必不可少的關(guān)鍵部件。從其組成結(jié)構(gòu)上可分為桿頭桿體一體式與桿頭桿體焊接式。目前一體式活塞桿的加工方式為整體模鍛，專業(yè)性強(qiáng)，通常需要到外省進(jìn)行加工，受制于運(yùn)輸路途，造成加工時間延長。若出現(xiàn)小批量加工合同，模鍛的成本會進(jìn)一步加大。河北省地礦局（下文簡稱“單位”）多年研發(fā)鉆桿端部鐓粗加厚設(shè)備，技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先，可對多種直徑的管料進(jìn)行端部加厚，受此啟發(fā)，本文嘗試將一體式活塞桿的加工與鉆桿鐓粗設(shè)備相結(jié)合，達(dá)到活塞桿端部鐓粗加厚的效果，解決批量小、工期短的一體式活塞桿加工問題。

1 概述

單位多年來一直為國內(nèi)大型企業(yè)生產(chǎn)各類油缸，部分油缸為增加活塞桿強(qiáng)度，設(shè)計(jì)為一體式活塞桿（圖1）。一體式活塞桿因其桿頭和桿體為一體，需要進(jìn)行整體加工，因此往往加工周期較長。受訂單影響，有時一個合同內(nèi)僅有幾支活塞桿為一體式，加工成本會有所提高，模鍛廠家也會因?yàn)榱可傺舆t加工，造成工期不易保證。

圖1 一體式活塞桿

通常針對小批量、工期緊的情況，單位一直是采用以桿頭最大尺寸整體下料，先粗車桿體處，再調(diào)質(zhì)加工。而整體下料的加工方式，一體式活塞桿的桿頭和桿體通常直徑差會相差將近一倍，如一支長度1200 mm的活塞桿，其桿體直徑50 mm，桿頭直徑90 mm，下料尺寸必須為Φ100 mm×1200 mm。加工前需要將長1100 mm 的桿體從Φ100 mm 粗車到Φ55 mm（含后期加工量），然后再進(jìn)行其他工序加工，材料浪費(fèi)極為嚴(yán)重。

目前，國內(nèi)大力提倡節(jié)能減排，鋼鐵、煤炭等原材料價格大幅上升。傳統(tǒng)加工方式材料、能源浪費(fèi)嚴(yán)重，解決直徑差問題，避免材料、能源浪費(fèi)，使小批量、工期緊的一體式活塞桿能夠低成本、高效率加工，是此次研究的目的。

2 設(shè)計(jì)思路

該研究難點(diǎn)在于如何在不影響活塞桿整體強(qiáng)度的前提下，將一體式活塞桿的桿頭部位加厚至圖紙要求的最大尺寸，有效的解決桿頭與桿體直徑差值的問題。因此需要一種設(shè)備，能夠不受工人技術(shù)、生產(chǎn)效率制約的對桿頭處進(jìn)行加粗，即進(jìn)行活塞桿局部鐓鍛加工。局部鐓鍛加工量小、生產(chǎn)效率高，工人只需操作機(jī)器即可，勞動強(qiáng)度低，同時相對于整體模鍛，加熱時間可有效縮短至10%，能源消耗大幅降低。

目前，單位自主研發(fā)的對心式全液壓半自動鐓管機(jī)正是基于這一技術(shù)特點(diǎn)，對鉆桿端部進(jìn)行鐓粗加工。此次研究的重點(diǎn)是借鑒鉆桿端部鐓粗技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種活塞桿局部鐓鍛加粗的新工藝。具體實(shí)施內(nèi)容可總結(jié)為：根據(jù)一體式活塞桿桿頭的尺寸設(shè)計(jì)模具，當(dāng)桿頭端通過中頻加熱達(dá)到鐓鍛溫度的時候，運(yùn)用鐓管機(jī)，推動擠壓芯子在模具型腔中將活塞桿端部鐓鍛成圖紙要求尺寸。

3 模具設(shè)計(jì)

對心式全液壓半自動鐓管機(jī)由頂進(jìn)油缸、夾緊油缸，擠壓芯子、模具體、夾具體組成，其中夾緊油缸作用于夾具體部分負(fù)責(zé)工件的夾緊，模具體和擠壓芯子通過頂進(jìn)油缸的作用力，在型腔里形成擠壓，負(fù)責(zé)工件的成形。目前單位研發(fā)的新型短鐓管機(jī)YDG300D，將模具體和夾具體合為一體，可最短加工長度500 mm 的工件，適合此次鐓鍛工藝研究。

圖2 鉆桿端部鐓鍛前后對比

此次將活塞桿桿頭設(shè)計(jì)為根據(jù)一體式活塞桿鐓鍛要求和圖紙尺寸（圖3），結(jié)合YDG300D 鐓管機(jī)工作原理，將模具體的夾緊部位設(shè)計(jì)成原材料直徑55 mm（含加工量），同時采用陣列挖槽加工方式加大夾緊摩擦力；成型腔的直徑參照工件桿頭尺寸設(shè)計(jì)為Φ95.3 mm（含加工量），擠壓芯子的直徑參照工件桿頭尺寸設(shè)計(jì)成Φ94.8 mm（防止碰撞模具體）。模具體外圓設(shè)計(jì)為1∶4 錐度，使其通過油缸前后移動改變開合尺寸，達(dá)到夾緊和松開的目的。通過電腦模擬計(jì)算出工件的壓縮量，將型腔長度設(shè)計(jì)為240 mm，過渡長度20 mm，加熱長度初步定為300 mm。

圖3 一體式活塞桿

模具體和擠壓芯子選用優(yōu)質(zhì)鋼材，先后經(jīng)過整體鍛造、粗車、二次熱處理，最后精車成型。采用線切割加工方式，將模具體四等分加工。每部分模具加裝定位燕尾槽，結(jié)合YDGD300D 鐓管機(jī)，組成一體式活塞桿鐓鍛設(shè)備。

4 初次鐓鍛

由于工件原料為圓鋼，同時壓縮變形量大，合理的加熱工藝尤為關(guān)鍵，必須確保工件鐓鍛部位加熱均勻透徹，才能達(dá)到高質(zhì)量鐓鍛效果。因此編寫加熱程序?yàn)椋?20 s 加熱溫度到750 ℃，保溫60 s，二次加熱180 s 到1160 ℃，二次保溫120 s，選用100 kW中頻加熱爐作為加熱設(shè)備。中頻爐配有溫控模塊和紅外線溫度感應(yīng)探頭，可根據(jù)工件溫度變化調(diào)整加熱功率。調(diào)整鐓管機(jī)夾緊壓力為10 MPa，頂鍛壓力為12 MPa，進(jìn)行第一次鐓鍛試驗(yàn)。

啟動鐓管機(jī)，對加熱好的活塞桿進(jìn)行鐓鍛，卻發(fā)現(xiàn)擠壓芯子不能頂進(jìn)到指定位置，同時觀察工件有明顯向后滑移的現(xiàn)象。松開夾具后，工件無法取出，第一次鐓鍛失敗。

5 分析改進(jìn)

拆開鐓管機(jī)模具，取出工件，觀察工件只有部分達(dá)到鐓鍛尺寸，并且不規(guī)矩，同時夾緊部位有長約20 mm 的位移劃痕，結(jié)合工件不能取出的問題得出以下結(jié)論：①鐓管機(jī)的設(shè)計(jì)使模具的開合量不能達(dá)到工件所需的鐓鍛直徑變化差；②擠壓芯子與模具型腔之間的位移變化未能達(dá)到設(shè)計(jì)所需的位移量，即擠壓芯子未運(yùn)行到指定位置；③模具體夾緊部位在鐓鍛過程中未能有效夾緊工件。

查看鐓管機(jī)設(shè)計(jì)圖紙，缸筒內(nèi)部活塞行程長度為85 mm，結(jié)合模具體1∶4 的錐度，得出模具最大開合差值為21 mm，此次鐓鍛大小端差值為40 mm，明顯超出模具最大開合量，故工件不能取出。擠壓芯子未能達(dá)到指定位置通常是因?yàn)轫斶M(jìn)力不夠，或者材料受熱不均勻，加熱部位前后溫度差值大，導(dǎo)致加熱部位不能均勻壓縮或壓縮不動。夾緊部位未能有效夾緊，通常是因?yàn)閵A具尺寸與工件外圓尺寸配合有差錯，或者夾緊力不足。測量模具內(nèi)腔尺寸，符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，故不存在夾具尺寸與工件外圓配合出現(xiàn)差錯的問題，因此不能有效夾緊的問題可通過調(diào)整夾緊油缸工作壓力來解決。擠壓芯子頂進(jìn)力不夠可通過調(diào)節(jié)頂進(jìn)工作壓力來解決，同時調(diào)整中頻加熱工藝，配合手持測溫槍測溫，確保工件受熱均勻。模具體開合量的加大是個難題，通過計(jì)算，若達(dá)到所需的開合量，油缸活塞行程至少需要205 mm，現(xiàn)有設(shè)備無法滿足。如果單從加大模具體開合量來解決這一問題，需重新設(shè)計(jì)鐓管機(jī)一臺。但205 mm 的行程使加工難度大幅上升，造成生產(chǎn)成本上漲，需數(shù)十萬資金才能研發(fā)，顯然設(shè)計(jì)研發(fā)新的設(shè)備不適合此次研究。

受制于現(xiàn)有鐓鍛設(shè)備的加工能力，最大鐓鍛直徑變化差值不能超過21 mm，因此若想將鐓鍛后直徑95 mm 的桿頭順利取出，模具體夾緊部位的尺寸最小為Φ71 mm，而工件需夾持部位直徑為55 mm。針對這一問題，結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，決定設(shè)計(jì)出一種輔助夾緊成型工具，解決因模具體內(nèi)孔增大而不能夾緊的問題。

輔助夾緊成型工具外圓直徑75 mm，內(nèi)孔直徑54.5 mm，外圓內(nèi)孔都加工出陣列式防滑槽，后端加工出定位臺階，前端與模具型腔過渡起始位置對齊，線切割加工對稱兩半式。模具夾緊部位內(nèi)孔車成Φ75 mm，當(dāng)鐓鍛工件時，模具體夾緊輔助夾緊成型工具，輔助夾緊成型工具它夾緊工件。當(dāng)工件鐓鍛完成后，輔助夾緊成型工具輔助夾緊成型工具和工件一起從模具體取出，從而解決模具開合量過小不能有效夾緊工件的問題。

6 二次鐓鍛

由于工件第一次鐓鍛加工時，工件壓縮量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？紤]有可能是因?yàn)楣ぜ軣岵痪鶆颍訜岵课磺昂鬁囟炔钪荡?，因此編輯加熱程序?yàn)椋?50 s 加熱溫度到750 ℃，保溫60 s；二次加熱240 s 到1160 ℃，二次保溫120 s。同時購買手持紅外測溫槍實(shí)時檢測溫度；調(diào)整鐓管機(jī)夾緊壓力為15 MPa，頂鍛壓力為18 MPa，準(zhǔn)備進(jìn)行第二次鐓鍛。

啟動中頻加熱設(shè)備對工件進(jìn)行加熱，同時手持紅外測溫槍測量工件加熱部位溫度，待加熱程序結(jié)束時，通過測量得出工件加熱部位前端溫度為1180 ℃，后端溫度為1125 ℃，前后溫度均符合鐓鍛要求。啟動YDG300D 鐓管機(jī)進(jìn)行鐓鍛，模具體牢牢將輔助夾緊成型工具夾緊，輔助夾緊成型工具受力夾緊工件。按下頂進(jìn)按鈕，擠壓芯子順利頂進(jìn)到指定位置，鐓鍛完成。按下松開按鈕，輔助夾緊成型工具與模具體脫開，工件順利取出。目測目測活塞桿桿頭外圓成型規(guī)矩，無明顯的凹坑、夾層，待工件溫度下降后，測量工件鐓鍛外徑、長度、均符合圖紙要求，鐓鍛成功，且整個鐓鍛過程未超過20 min。

7 批量加工

選取此次訂單10 支進(jìn)行鐓鍛連續(xù)加工，鐓鍛完成后對桿頭進(jìn)行正火處理。通過計(jì)時對比，每支活塞桿加工耗時從最初的15 d 縮短到現(xiàn)在的2 h，生產(chǎn)效率大幅提高，減少工件運(yùn)輸環(huán)節(jié)，生產(chǎn)更加靈活的同時生產(chǎn)成本大幅下降。對正火后的10 支活塞桿進(jìn)行車削加工，桿體和桿頭同軸度控制在1 mm 內(nèi)，桿頭圓跳動控制在1 mm 內(nèi)，各部位尺寸均符合粗車圖紙尺寸，滿足精車加工要求。同時加工余量減少，操作者可以更快的對活塞桿完成精車。

8 工藝總結(jié)

YDG300D 對心式全液壓半自動鐓管機(jī)可以對工件端部進(jìn)行鐓鍛加厚加工，從而達(dá)到以低成本加工方式來實(shí)現(xiàn)工件部分直徑變大的目的，既提升工件強(qiáng)度，又提高生產(chǎn)效率。鐓鍛加工中，模具設(shè)計(jì)決定著工件成型質(zhì)量；加熱程序控制工件受熱溫度的均勻變化；鐓鍛設(shè)備加工參數(shù)的合理設(shè)置決定著工件成型的質(zhì)量。當(dāng)現(xiàn)有設(shè)備不能滿足加工需要時，創(chuàng)造式的設(shè)計(jì)出輔助夾緊成型工具，通過輔助夾緊成型工具，改變現(xiàn)有設(shè)備的加工能力，達(dá)到加工要求此次試驗(yàn)中就是通過不斷的摸索改進(jìn)各項(xiàng)工藝參數(shù)，最終取得了鐓鍛成功。

創(chuàng)新是前進(jìn)的動力，機(jī)械生產(chǎn)需要在日常生產(chǎn)中不斷的摸索改進(jìn)，從而提高生產(chǎn)效率，提高整個行業(yè)的加工水平。此次鐓鍛成功，使活塞桿加工工藝向前邁進(jìn)了一步，有效解決小批量、工期緊的一體式活塞桿生產(chǎn)成本降低和工期保證的問題，同時避免浪費(fèi)、防止污染、降低勞動強(qiáng)度。