CN103386451A - 一种大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型工艺及其加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型工艺及其加工设备，采用梯度预处理、分体模具准备、上模、热挤压、开模过程，对待加工工件实施径向负载前提下的水平方向热挤压，完成待加工工件热挤压镦出过程。具有工件变形充分、准确，过渡区部分拥有完整金属流线，加工质量稳定、可靠的优点，同时，龙门框架支撑的卧式水平加载液压机和竖直加载液压机分布合理、结构稳定、使用方便，有效保证了大载荷下的平推热挤压过程，特别适合用于大直径活塞塞头、台阶轴或油缸的热挤压镦出。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属锻造加工工艺及设备，特别涉及一种利用平锻液压机进行大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型加工的工艺及设备，属于金属锻造加工领域。
背景技术
目前，在石油机械、煤矿机械、汽车零部件等行业中，热挤压镦出活塞塞头或台阶轴的直径范围在：￠20～￠60mm之间，长度在20～100mm之间。如塞头或台阶轴直径超出此范围，则热挤压过程经常出现活塞头大尾小，活塞后部形成倒锥形，单边留量＞10mm等情况，现有工艺无法保证加工质量。于是，大直径活塞塞头或台阶轴在现有技术中通常采用焊接或机加工艺进行加工。
在现有焊接工艺中，如加工直径￠270mm，长215mm的塞头时，焊接直径为￠298mm，需要6小时/件，某大型煤矿企业有8台焊接机械手，在正常情况下一天能焊接32件，经机械加工、探伤后返修率≥90％。不仅焊接效率低、返修率高、劳动强度大，而且长时间焊接产生的废气还会对工作环境和操作工人的健康造成影响，使得离岗和怠工现象严重。而采用机加工艺，车床切削塞杆采用￠300mm×1580mm圆棒料进行加工，耗时5小时，基本加工工艺为：粗车→热处理→精车，材料重877kg，产品净重674kg，产生废钢削203kg，残值基本上与折旧、加工费、刀具费等持平，一根塞杆材料费为9647元，损耗材料费为2233元。不仅原材料损耗严重，成本居高不下，而且加工工艺复杂，生产效率低。
由于焊接工艺和机加工艺受自身加工条件的限制，依靠工艺改进已无法满足大直径活塞塞头或台阶轴的加工需要。于是，对现有热挤压镦出工艺进行改进，通过多种方式控制或消除镦出缺陷，就成为目前唯一可行的方法。
发明内容
鉴于上述现有情况，本发明旨在提供一种镦出速度快、成品率高的适于大尺寸活塞塞头、台阶轴或油缸镦出加工的工艺及设备，以满足直径￠50～￠450mm，镦出长度20～1400mm，产品长度范围在200～24000mm之间的棒料镦出成型需要，以及满足镦粗范围￠88.9～￠1200mm，镦粗长度20～800mm之间的管料镦出成型需要。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型工艺，包括：
步骤一、预处理采用梯度加热的方式，对活塞塞头、台阶轴或油缸变形区及变形区与非变形区之间的过渡区进行满足始锻温度的加热，保证活塞塞头、台阶轴或油缸的变形区温度低于过渡区温度80～100℃。
预处理的梯度加热采用平行中频双炉体进行加热。其中，加热过程分为局部加热和整体加热两个阶段。局部加热用于加热需首先变形的部位，以保证热挤压变形过程首先在此处发生，保证镦出产品的加工质量，这也是以往热挤压工艺经常出现问题的地方。局部加热时，以活塞塞头、台阶轴或油缸加工变形区的1/2长度和一个直径的过渡区长度组成初始加热段，通过第一个中频加热炉完成局部加热过程，并把加热温度控制在600～700℃。第二个阶段为整体加热阶段，将活塞塞头、台阶轴或油缸所有需要加热的部位放入第二个中频加热炉中进行整体加热，并使加热温度达到始锻温度，从而最终形成梯度温度，即活塞塞头、台阶轴或油缸的变形区温度低于过渡区温度80～100℃。
步骤二、模具准备将上、下分体模具中的下半模固定在工作台上，上半模对应固定在垂直方向的竖直加载液压机上，模腔成型区与非成型区连接处采用锥面过渡。
上、下半模的模具组成方式，使镦出过程在一个相对宽松的环境下进行，利用竖直加载液压机形成对模具整体的径向压力，保证变形过程在受压状态下可控进行，使变形区在镦粗、膨胀过程中更易充满模腔，保证了镦出产品质量的可靠性，同时，分体结构的模具还使模具自身加工方便，脱模简单，避免了膨胀过程对模具造成的直接影响。
为进一步提高模具使用的可靠性，在模腔成型区与非成型区之间还设有锥面过渡，锥面过渡的角度保持在18°～45°之间。锥面过渡可使镦出产品在连接处形成完整的金属流线，保证了镦出产品的质量。当然，锥面过渡的角度也可根据产品需要进行相应调整，以保持在此角度范围内为最佳。
步骤三、上模将预处理完成的活塞塞头或台阶轴水平放入分体模具的相应位置处，变形区和非变形区之间的过渡区与模腔的过渡锥面相对应，通过竖直加载液压机压紧上、下半模，并保持上、下半模间隙为1～2mm。
由于变形过程主要在变形区进行，故，过渡区与模腔过渡锥面的对应可有效提高对变形区的支撑，保证变形充分、彻底。
步骤四、热挤压采用定程定压的方式，通过卧式水平加载液压机对活塞塞头、台阶轴或油缸的变形区进行热挤压，同时，竖直加载液压机对上半模施加径向加载，保持径向加载力大于水平加载力20％～40％，镦出过程中，上半模向上移动间隙2～3mm，镦出到规定行程时，上、下半模间隙不超过4mm。
定程定压的方式是指压力相同、推进速度相等的方式，即卧式水平加载液压机以匀速方式水平推进，对活塞塞头、台阶轴或油缸的变形区进行热挤压，受活塞塞头、台阶轴或油缸前低后高温度的影响，变形首先在后部进行，活塞塞头、台阶轴或油缸的过渡区首先被充满，然后是靠近过渡区的变形区充满，最后是整个变形区充满。在水平推进的同时，竖直加载液压机对上半模施加径向加载，径向加载力与水平加载力相结合，对镦粗过程进行有效控制，辅助水平推进过程，保证了产品镦粗和模具径向膨胀同时进行。通常情况下，保持径向加载力大于水平加载力20％～40％，这样，径向加载能起到最可靠、最有效的作用。
步骤五、开模 操作卧式水平加载液压机退出，同时，控制竖直加载液压机将上半模提升，进行脱模，至此活塞塞头、台阶轴或油缸镦出过程完成。
此工艺特别适合镦出直径￠50～￠450mm，镦出长度20～1500mm，产品长度在200～24000mm之间的棒料镦出成型需要，以及满足镦粗范围￠88.9～￠1200mm，镦粗长度20～800mm之间的管料镦出成型需要。
针对上述加工工艺，本发明开发了一种与此加工工艺配套使用的热挤压液压机，具体包括：卧式水平加载液压机、龙门框架和竖直加载液压机，其中，竖直加载液压机用于提供分体模具所需的径向加载力，以保证镦粗过程能可控进行；卧式水平加载液压机用于产生水平推力，对待加工工件形成轴向加载，以保证变形、镦粗过程顺利进行。
竖直加载液压机包括立式框架和垂直夹紧油缸，垂直夹紧油缸被固定在立式框架的横梁上，垂直夹紧油缸用于对上半模产生垂直向下的径向压力，以控制水平挤压过程中分体模具的径向扩张。立式框架与卧式水平加载液压机保持垂直，立式框架一侧的竖直端设有开口，开口上端固定支撑在卧式水平加载液压机框架上，并且卧式水平加载液压机的行程方向与垂直夹紧油缸的行程方向垂直相交，从而保证了模具中待加工工件受力变形时始终受到水平和径向两个方向的压力，使变形过程能够更准确、更可靠。而立式框架与卧式水平加载液压机行程方向相对的另一侧竖直端上还设有进料口，进料口用于待加工产品或成品的进出，以保证进出过程简单、方便。
为提高结构稳定性和使用方便性，立式框架设计成了‘回’字型结构，此结构稳定性好，使用方便，工作台可直接固定在‘回’字型立式框架内侧的底面上，开口位于‘回’字型立式框架一侧的竖直端上，进料口位于‘回’字型立式框架另一侧的竖直端上。
为增加结构稳定性，抵消大载荷热挤压过程对热挤压液压机的影响，龙门框架被支撑在立式框架与卧式水平加载液压机连接处的外侧，龙门框架分别与立式框架和卧式水平加载液压机相连接，并从前、后方向对立式框架和卧式水平加载液压机两侧进行辅助支撑，保证了热挤压液压机整体结构的稳定性。
本发明所述的一种大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型工艺及其加工设备，采用梯度预处理的方式将待加工工件加热到始锻温度，并保证待加工工件的温度前低后高，然后，将待加工工件放置在由卧式水平加载液压机、龙门框架和竖直加载液压机组成的热挤压液压机的分体模具中，通过定程定压的热挤压方式将待加工工件首先在过渡区充满，然后是靠近过渡区的变形区充满，最后是整个变形区充满。其结果：加工完成的工件变形充分、准确，过渡区部分拥有完整的金属流线，加工出的产品质量稳定、可靠，性能优良，避免了以往热挤压工艺中变形区与非变形区之间应力集中、模具开裂现象。加工效率高、脱模简单，同时，龙门框架支撑的卧式水平加载液压机和竖直加载液压机分布合理、结构稳定、使用方便，有效保证了镦出过程中大载荷下的平推热挤压过程，其工艺方法和生产设备特别适合用于大直径活塞塞头、台阶轴或油缸的热挤压镦出过程。
附图说明
图1为本发明所述热挤压液压机的结构示意图。
具体实施方式
下面以‘回’字型立式框架的热挤压液压机加工活塞塞头为例，对本发明所述一种大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型工艺做进一步的描述：
步骤一、对活塞塞头进行预处理
首先，用平行中频双炉体中的第一个中频加热炉对待加工活塞进行局部加热，局部加热的位置位于活塞塞头加工变形区的1/2长度和一个直径的过渡区长度处，加热温度控制在600～700℃；接着，将活塞所有需要加热的部位放入第二个中频加热炉中进行整体加热，并使加热温度达到始锻温度，从而形成梯度温度，即活塞塞头变形区温度低于过渡区温度80～100℃。
步骤二、分体模具的准备
模具采用塞头成型区与塞杆非成型区之间为锥面过渡的上、下分体模具，锥面过渡角度为30。，其中，下半模固定在‘回’字型立式框架的工作台上，上半模对应固定在垂直方向的竖直加载液压机上，竖直加载液压机可带动上半模在竖直方向上、下移动。
步骤三、上模
将预处理完成的活塞水平放入分体模具的相应位置处，变形区和非变形区之间的过渡区与模腔的过渡锥面相对应，通过竖直加载液压机压紧上、下半模，同时，受模具尺寸的影响，上、下半模间保持1～2mm的间隙。
步骤四、热挤压
采用定程定压的方式，通过卧式水平加载液压机对活塞变形区进行水平推进方式下的热挤压，同时，竖直加载液压机对上半模施加径向加载，保持径向加载力大于水平加载力20％～40％，镦出过程中，上半模向上移动间隙2～3mm，镦出到规定行程时，上、下半模间隙不超过4mm。受活塞塞头前低后高温度的影响，变形首先在后部进行，活塞塞头的过渡区首先被充满，然后是靠近过渡区的塞头变形区充满，最后是整个塞头变形区充满，从而有效保证了活塞塞头的镦出形状和镦出尺寸。
步骤五、开模
操作卧式水平加载液压机退出，同时，控制竖直加载液压机将上半模提升进行脱模，至此活塞塞头镦出完成。
此镦出过程由于需要配套的加工设备进行完成，故下面结合附图1对本发明所述热挤压液压机做进一步的描述：
本发明所述的一种热挤压液压机，包括卧式水平加载液压机1、龙门框架2和竖直加载液压机。竖直加载液压机包括立式框架4和垂直夹紧油缸3。卧式水平加载液压机1主要用于冲头7的水平推进，以形成对待加工活塞的热挤压。立式框架4用于支撑垂直夹紧油缸3，垂直夹紧油缸3可对分体模具产生径向夹紧力，保证分体模具始终在径向加载下配合水平推进冲头7完成挤压过程。龙门框架2辅助支撑在卧式水平加载液压机1和立式框架4的两侧，以提高整个热挤压液压机的稳定性，保证热挤压过程能顺利、安全进行。
具体结构为：立式框架4采用‘回’字型结构，垂直夹紧油缸3固定在‘回’字型立式框架4的横梁上，分体模具和待加工活塞位于‘回’字型框架内。其中，分体模具中的上半模5固定在垂直夹紧油缸3上，下半模8固定在工作台上。‘回’字型立式框架4与卧式水平加载液压机1保持垂直，‘回’字型立式框架4一侧的竖直端上设有开口，开口固定支撑在卧式水平加载液压机1的框架上，卧式水平加载液压机1的行程方向与垂直夹紧油缸3的行程方向保持垂直并且相互交错。‘回’字型立式框架4与卧式水平加载液压机1行程方向相对的另一侧竖直端上设有进料口6，进料口6用于待加工活塞进出‘回’字型立式框架4。龙门框架2支撑在‘回’字型立式框架4与卧式水平加载液压机1连接处的外侧，龙门框架2分别与‘回’字型立式框架4和卧式水平加载液压机1固定连接。
工作时，将预处理完成的待加工活塞从进料口6送入到分体模具中，通过垂直夹紧油缸3带动上半模5将待加工活塞夹紧在分体模具中，受分体模具尺寸的限制，上、下半模5，8间保持1-2mm间隙，分体模具的中心与卧式水平加载液压机1上冲头7的中心相对。垂直夹紧油缸3对上半模5施加的径向加载力大于卧式水平加载液压机1对待加工活塞施加的水平加载力20％～40％。启动卧式水平加载液压机1，采用定程定压的方式推动冲头7沿水平方向推进，待加工活塞在径向加载的辅助下，通过变形区的变形和填充后，在分体模具中完成活塞塞头的热挤压镦出过程。
Claims (6)
1.一种大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型工艺，其特征在于，包括，
A、预处理采用梯度加热的方式，对活塞塞头、台阶轴或油缸变形区及变形区与非变形区之间的过渡区进行满足始锻温度的加热，保证活塞塞头、台阶轴或油缸的变形区温度低于过渡区温度80～100℃；
B、模具准备将上、下分体模具中的下半模固定在工作台上，上半模对应固定在垂直方向的竖直加载液压机上，模腔成型区与非成型区连接处采用锥面过渡；
C、上模将预处理完成的活塞塞头、台阶轴或油缸水平放入分体模具的相应位置处，变形区和非变形区之间的过渡区与模腔的过渡锥面相对应，通过竖直加载液压机压紧上、下半模，并保持上、下半模间隙为1～2mm
D、热挤压采用定程定压的方式，通过卧式水平加载液压机对活塞塞头、台阶轴或油缸的变形区进行热挤压，同时，竖直加载液压机对上半模施加径向加载，保持径向加载力大于水平加载力20％～40％；
E、开模操作卧式水平加载液压机退出，同时，控制竖直加载液压机将上半模提升，进行脱模，至此活塞塞头、台阶轴或油缸镦出过程完成。
2.根据权利要求1所述的一种大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型工艺，其特征在于，所述梯度加热具体包括：
A01、局部加热以1/2的变形区长度和一个直径的过渡区长度组成初始段进行局部加热，加热温度控制在600～700℃；
A02、整体加热对活塞塞头、台阶轴或油缸所有需要加热的位置进行整体加热，并使加热温度达到始锻温度，从而形成梯度温度，即活塞塞头、台阶轴或油缸的变形区温度低于过渡区温度80～100℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型工艺，其特征在于，所述预处理采用平行中频双炉体加热。
4.根据权利要求1所述的一种大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型工艺，其特征在于，所述模具中锥面过渡的角度保持在18°～45°之间。
5.一种与权力要求1所述大直径活塞塞头、台阶轴或油缸成型工艺配套使用的热挤压液压机，其特征在于，包括卧式水平加载液压机、龙门框架和竖直加载液压机，所述竖直加载液压机包括立式框架和垂直夹紧油缸，所述垂直夹紧油缸固定在立式框架的横梁上；所述立式框架与卧式水平加载液压机保持垂直，立式框架一侧的竖直端固定支撑在卧式水平加载液压机框架上，卧式水平加载液压机的行程方向与垂直夹紧油缸的行程方向垂直相交；所述立式框架与卧式水平加载液压机行程方向相对的另一侧竖直端上还设有进料口；所述龙门框架支撑在立式框架与卧式水平加载液压机连接处的外侧，龙门框架分别与立式框架和卧式水平加载液压机相连接。
6.根据权利要求5所述的一种热挤压液压机，其特征在于，所述立式框架为‘回’字型结构，‘回’字型立式框架的一侧竖直端上设有开口，开口固定支撑在卧式水平加载液压机框架上，进料口位于‘回’字型立式框架另一侧的竖直端上。
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