CN115401146A - 一种空心台阶轴的锻造成形模具及成形方法 - Google Patents

Abstract

一种空心台阶轴的锻造成形模具及成形方法，该成形模具包括上模、下模和冲头，并且上模与下模合模后形成为型腔，在所述该腔末端端面中心有轴向延伸的圆形冲头容纳腔，用于容纳成形过程中冲头的前端细杆部和管状坯料变形后形成的毛刺；该上模与下模型腔沿它们的分模面对称。利用所述成形模具，采用管状坯料在水平分模平锻机上成形，利用水平分模便于锻件的出模，能够在平锻机一次行程中成形出内外表面均有台阶且外表面外凸台阶位于任意部位的空心轴精密锻件，解决了锻件即要空心，又要外表面外凸台阶位于任意部位的难题，实现了复杂空心轴锻件的精密锻造成形，从而能提高材料利用率，大幅减少机械加工工时，降低制造成本。

Description

一种空心台阶轴的锻造成形模具及成形方法

技术领域

本发明涉及锻造加工技术领域，具体是一种内外表面均有台阶的空心轴的锻造方法。

背景技术

空心轴广泛应于动力装置及机械传动等领域，用于传输扭矩，因此工作时受载恶劣，属于关键零部件，通常采用锻造的方法成形，常规的制造工艺为自由锻或模锻成形实心的轴锻件毛坯，然后经机械加工出中心孔，因此材料利用率低、加工周期长，导致成本较高。

工业技术的发展与竞争的激化，零部件及其设计与生产过程的高精度、高性能、高效率、低成本、低能耗，已成为提高产品竞争力的唯一途径。常规切削加工技术和传统的粗放型的塑性加工制坯工艺已难以满足要求，因此以生产尽量接近最终形状的锻件，甚至是以完全提供成品零件为目标是塑性加工技术的必然趋势和发展方向。精密锻造技术是解决这一切的技术手段，它可以提高锻件的成形精度和材料利用率，降低锻件成本，减少机械加工工时，缩短制造周期，同时能使锻件流线完整、分布合理、组织性能均匀优化。

空心轴成形技术作为一种精密锻造技术近年来得到了重视，开发出了多种成形方法：

在公开号为CN1872447A的发明创造中提出了高速机车空心锥轴全纤维锻造工艺，该方法使用无缝钢管成形出的空心轴从法兰到轴身金属纤维连续分布，提高了轴的力学性能，但是该工艺为胎膜自由锻工艺，通过变形减小坯料的外径，生产效率低、锻件精度不高、劳动轻度大，锻件中部没有外凸台阶。

在公开号为CN105057529A的发明创造中提出了一种变截面空心轴锻件挤压成型方法，该方法能一步成形出中心带有通孔的轴件，且流线完整，结构强度高，应变分布均匀，残余应力低。但该方法受模具型腔为整体结构的限制，锻件外表面台阶仅能位于锻件的大头端，外表面台阶无法位于锻件外表面中部，否则锻件无法出模，从而无法进行成形。

在公开号为CN105057558A的发明创造中提出了一种大头多台阶空心轴锻件成型方法及立卧两用摆动辗压机，该方法成型的台阶空心轴锻件具有内外径加工余量小、尺寸精确高和节省材料的特点，但为了锻件出模，锻件台阶也仅能位于锻件的端部。

在公开号为CN108907060A的发明创造中提出了一种空心轴锻造方法，该方法采用内外封闭模具，为了锻件出模，因此所能成形的空心轴锻件台阶也仅能位于锻件的一端。

在公开号为CN212495126U的发明创造中提出了一种高温合金空心台阶轴锻件工装，该方法设计了专用的工装，约束了锻件的不规则变形，提高了原材料利用率，但是为了锻件出模，也不能成形外凸台阶位于轴中部的锻件。

由此可见现有公开的空心轴成形技术均不能锻造出外形中段部位有外凸台阶的空心轴锻件，其主要问题是成形的锻件无法从模具中取出，而外形中段部位有外凸台阶的轴锻件必须是常规的实心锻件，因此开发相应的空心轴精密锻造技术很有必要。

发明内容

为克服现有技术中存在的不能成形锻件外形中段处有外凸台阶的空心轴锻件的不足，本发明提出了一种空心台阶轴的锻造成形模具及成形方法。

本发明提出的空心台阶轴的锻造成形模具，包括上模、下模和冲头，并且该上模与下模配合使用，使该上模与下模合模后形成为型腔；该型腔内端为末端，在该末端端面中心有轴向延伸的圆形冲头容纳腔，用于容纳成形过程中冲头的前端细杆部和管状坯料变形后形成的毛刺；该上模与下模型腔沿它们的分模面对称。

所述上模下表面中心有沿长度方向延伸的半圆形凹槽，该凹槽为用于成型所述空心台阶轴锻件的上半型腔；该上半型腔的型面与所述空心台阶轴锻件的外形一致，在设计要求的位置有用于成型空心轴外圆周表面台阶的台阶型腔；所述下模与该上模块相同且镜像对称。

当所述上模与下模扣合形成模具后，在该模具内形成完整的空心台阶轴的型腔和冲头容纳腔；该冲头容纳腔的长度比冲头前端细杆部的长度长15mm，该冲头容纳腔的孔径略大于冲头细杆部的直径。

所述冲头的圆周表面为三级台阶状，其前端的细杆为一级台阶，呈锥状，其最大直径略小于空心轴内孔的小孔径段的直径，长度比该小孔径段的长度长15mm；该细杆的锥度为0.5°；该冲头中段为二级台阶，呈锥状，其最大直径略小于空心轴内孔中较大孔径段的直径，长度与锻件尺寸一致，该中段的锥度为0.5°；该冲头后段为第三级台阶，其外径与模具型腔间隙配合。

本发明提出的使用所述锻造成形模具成形空心台阶轴的具体过程为：

步骤1，坯料准备；

步骤2，成形前的准备；

所述成形前的准备包括：

将涂覆有玻璃润滑剂的坯料置于加热炉中加热至1150～1180℃，并保温10min；

固定模具：将下模固定水平分模平锻机砧座上，将上模固定在平锻机夹紧滑块上，将冲头固定在平锻机主滑块上；通过该平锻机同时将上模、下模和冲头预热至200℃。

步骤3，坯料入模：

将加热至1150～1180℃的管状坯料转运至固定在水平分模平锻机砧座上的下模的型腔中；

步骤4，镦粗成形：

启动所述水平分模平锻机，使平锻机夹紧滑块下行，带动该上模下行与下模合模形成型腔，并施加900吨的夹紧力夹紧该上模和下模；通过所述冲头对管状坯料进行一次镦粗成形，使坯料充满模具型腔；

步骤5，脱模：

所述水平分模平锻机的主滑块回程，带动冲头从被上模和下模夹住的空心轴锻件的内孔中退出，完成冲头的脱模；所述水平分模平锻机夹紧滑块向上移动带动上模与该下模分离；取出空心轴锻件，完成锻造过程。

本发明实现了复杂空心轴锻件的精密锻造成形，从而能提高材料利用率，大幅减少机械加工工时，降低制造成本。

本发明采用管状坯料在水平分模平锻机上成形，利用水平分模便于锻件的出模，结合所设计的成形模具，在水平方向对管状坯料进行镦锻，能够在平锻机一次行程中成形出内外表面均有台阶且外表面外凸台阶位于任意部位的空心轴精密锻件，解决了锻件即要空心，又要外表面外凸台阶位于任意部位的难题，与传统实心轴锻件对比，单件节省材料30～40％；由于空心锻件无需钻孔，减少了机械加工工时约30～32％，降低了综合制造成本10～12％，大幅度地提高了材料利用率，较大幅减少了机械加工工时，提高了生产效率，降低了制造成本，具有良好的技术经济效益。

附图说明

图1为外形中段上有台阶的空心轴锻件示意图。

图2为水平分模平锻机上成形空心轴锻件的示意图。

图3为模具的结构示意图。

图中：1.上模；2.坯料；3.冲头；4.下模；5.空心轴锻件；6.冲头容纳腔；7.台阶型腔。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种空心台阶轴的锻造成形的模具，包括上模1、下模4和冲头3，并且该上模1与下模4配合使用。

所述上模1与下模4合模后形成为型腔。该型腔内端为末端，在该末端端面中心有轴向延伸的圆形冲头容纳腔6，用于容纳成形过程中冲头3的前端细杆部和管状坯料2变形后形成的毛刺。该上模1与下模4型腔沿它们的分模面对称。

所述上模1为块状。该上模1下表面中心有沿长度方向延伸的半圆形凹槽，该凹槽为用于成型所述空心台阶轴锻件5的上半型腔；该上半型腔的型面与所述空心台阶轴锻件的外形一致，在设计要求的位置有用于成型空心轴外圆周表面台阶的台阶型腔7。所述下模4与该上模块相同且镜像对称。

当所述上模与下模扣合形成模具后，在该模具内形成完整的空心台阶轴的型腔和冲头容纳腔6。该冲头容纳腔的长度比冲头3前端细杆部的长度长15mm，该冲头容纳腔的孔径略大于冲头3细杆部的直径。

所述冲头3为台阶形圆棒结构，用与成形空心台阶轴的内孔。该冲头的圆周表面为三级台阶状，其前端的细杆为一级台阶，呈锥状以便于出模，其最大直径略小于空心轴内孔的小孔径段的直径，长度比该小孔径段的长度长15mm；该细杆的锥度为0.5°；该冲头中段为二级台阶，呈锥状以便于出模，其最大直径略小于空心轴内孔中较大孔径段的直径，长度与锻件尺寸一致，该中段的锥度为0.5°；该冲头后段为第三级台阶，其外径与模具型腔间隙配合。

成形时平锻机将所述上模1与下模4扣合，并施加足够的夹紧力，使该上模的上半型腔与下模的下半型腔形成圆形的空心台阶轴型腔和冲头容纳腔。

成形时，上模1固定在平锻机的夹紧滑块上，下模4固定在平锻机的固定砧座上，所述坯料2置于下模4的下半型腔内，由平锻机驱动上模1下行至与下模4合模，并施加足够的合模夹紧力，夹住所述坯料2。固定在平锻机主滑块上的冲头3的细杆部插入管状坯料2的内孔中，直至冲头3根部的端面对管状坯料2进行镦粗成形，型腔底部端面的容纳腔，用于容纳冲头3前端插入的部分细杆部和管状坯料2变形形成的毛刺，由于锻件上有台阶上模1和下模4没有打开时刚好在水平方向上卡住锻件，锻造完毕冲头3随主滑块回程从锻件中心孔中抽出，实现了冲头3脱模，然后上模1随夹紧滑块上行模具分开松开夹紧的锻件，取出空心轴锻件5完成锻造过程。

实施例2

本实施例是利用所述模具锻造成形16CrNiMo钢空心台阶轴的方法，其具体过程为：

步骤1，坯料准备：

采用外径略小于锻件轴型腔的外径以及内径也略小于锻件轴内孔直径的管材作为坯料，所述坯料为16CrNiMo钢管材。从管材上截取体积与空心锻件体积相等长度的坯料2，所述坯料2的长度根据锻件体积计算得到。

步骤2，成形前的准备：

在所述坯料2的内表面和外表面分别涂覆一层玻璃润滑剂，以防加热时的氧化。

将涂覆有玻璃润滑剂的坯料置于加热炉中加热至1150～1180℃，并保温10min；本实施例中，坯料的加热温度为1150℃。

将下模4固定在800吨水平分模平锻机砧座上，将上模1固定在平锻机夹紧滑块上，将冲头3固定在平锻机主滑块上。通过所述平锻机同时将上模1、下模4和冲头3预热至200℃。分别在所述上模1的型腔、下模4的型腔和冲头3的表面涂覆水剂石墨润滑剂。

步骤3，坯料入模：

将加热至1150℃的管状坯料2转运至固定在水平分模平锻机砧座上的下模4的型腔中。

步骤4，镦粗成形：

启动所述800吨水平分模平锻机，平锻机夹紧滑块下行，带动该上模1下行与下模4合模形成型腔，并施加900吨夹紧力夹紧该上模1和下模4。通过所述冲头3对管状坯料2进行一次镦粗成形，使坯料充满模具型腔。

步骤5，脱模：

所述水平分模平锻机的主滑块回程，带动冲头3从被上模1和下模4夹住的空心轴锻件5的内孔中退出，完成冲头3的脱模。所述水平分模平锻机夹紧滑块向上移动带动上模1与该下模4分离；取出空心轴锻件5，完成锻造过程。

采用本实施例成形空心轴锻件与实心轴锻件对比，实心轴锻件毛坯下料约4.3公斤重，空心轴毛坯下料约3公斤重，单件节省材料30％，省掉了钻孔工时，减少了机械加工工时约30％，降低了综合制造成本10％，取得了良好的经济效益。

实施例3

本实施例是利用所述模具锻造成形20CrMnTi钢空心台阶轴的方法，其具体过程为：

步骤1，坯料准备：

采用外径略小于锻件轴型腔的外径以及内径也略小于锻件轴内孔直径的管材作为坯料，所述坯料为20CrMnTi钢管材。从管材上截取体积与空心锻件体积相等长度的坯料2，所述坯料2的长度根据锻件体积计算得到。

步骤2，成形前的准备：

在所述坯料2的内表面和外表面分别涂覆一层玻璃润滑剂，以防加热时的氧化。

将涂覆有玻璃润滑剂的坯料置于加热炉中加热至1150～1180℃，并保温10min；本实施例中，坯料的加热温度为1180℃。

将下模4固定在800吨水平分模平锻机砧座上，将上模1固定在平锻机夹紧滑块上，将冲头3固定在平锻机主滑块上。通过所述平锻机同时将上模1、下模4和冲头3预热至200℃。分别在所述上模1的型腔、下模4的型腔和冲头3的表面涂覆水剂石墨润滑剂。

步骤3，坯料入模：

将加热至1180℃的管状坯料2转运至固定在水平分模平锻机砧座上的下模4的型腔中。

步骤4，镦粗成形：

启动所述800吨水平分模平锻机，平锻机夹紧滑块下行，带动该上模1下行与下模4合模形成型腔，并施加900吨夹紧力夹紧该上模1和下模4。通过所述冲头3对管状坯料2进行一次镦粗成形，使坯料充满模具型腔。

步骤5，脱模：

所述水平分模平锻机的主滑块回程，带动冲头3从被上模1和下模4夹住的空心轴锻件5的内孔中退出，完成冲头3的脱模。所述水平分模平锻机夹紧滑块向上移动带动上模1与该下模4分离；取出空心轴锻件5，完成锻造过程。

采用本实施例成形空心轴锻件与实心轴锻件对比，实心轴锻件毛坯下料约5公斤重，空心轴毛坯下料约3公斤重，单件节省材料40％，省掉了钻孔工时，减少了机械加工工时约32％，降低了综合制造成本12％，取得了良好的经济效益。

Claims (6)

1.一种空心台阶轴的锻造成形模具，其特征在于，包括上模、下模和冲头，并且该上模与下模配合使用，使该上模与下模合模后形成为型腔；该型腔内端为末端，在该末端端面中心有轴向延伸的圆形冲头容纳腔，用于容纳成形过程中冲头的前端细杆部和管状坯料变形后形成的毛刺；该上模与下模型腔沿它们的分模面对称。

2.如权利要求1所述空心台阶轴的锻造成形模具，其特征在于，所述上模下表面中心有沿长度方向延伸的半圆形凹槽，该凹槽为用于成型所述空心台阶轴锻件的上半型腔；该上半型腔的型面与所述空心台阶轴锻件的外形一致，在设计要求的位置有用于成型空心轴外圆周表面台阶的台阶型腔；所述下模与该上模块相同且镜像对称。

3.如权利要求1所述空心台阶轴的锻造成形模具，其特征在于，当所述上模与下模扣合形成模具后，在该模具内形成完整的空心台阶轴的型腔和冲头容纳腔；该冲头容纳腔的长度比冲头前端细杆部的长度长15mm，该冲头容纳腔的孔径略大于冲头细杆部的直径。

4.如权利要求1所述空心台阶轴的锻造成形模具，其特征在于，所述冲头的圆周表面为三级台阶状，其前端的细杆为一级台阶，呈锥状，其最大直径略小于空心轴内孔的小孔径段的直径，长度比该小孔径段的长度长15mm；该细杆的锥度为0.5°；该冲头中段为二级台阶，呈锥状，其最大直径略小于空心轴内孔中较大孔径段的直径，长度与锻件尺寸一致，该中段的锥度为0.5°；该冲头后段为第三级台阶，其外径与模具型腔间隙配合。

5.一种使用权利要求1所述锻造成形模具成形空心台阶轴的方法，其特征在于，具体过程为：

步骤1，坯料准备；

步骤2，成形前的准备；

步骤3，坯料入模：

将加热至1150～1180℃的管状坯料转运至固定在水平分模平锻机砧座上的下模的型腔中；

步骤4，镦粗成形：

启动所述水平分模平锻机，使平锻机夹紧滑块下行，带动该上模下行与下模合模形成型腔，并施加900吨的夹紧力夹紧该上模和下模；通过所述冲头对管状坯料进行一次镦粗成形，使坯料充满模具型腔；

步骤5，脱模：

所述水平分模平锻机的主滑块回程，带动冲头从被上模和下模夹住的空心轴锻件的内孔中退出，完成冲头的脱模；所述水平分模平锻机夹紧滑块向上移动带动上模与该下模分离；取出空心轴锻件，完成锻造过程。

6.如权利要求5所述锻造成形模具成形空心台阶轴的方法，其特征在于，所述成形前的准备包括：

将涂覆有玻璃润滑剂的坯料置于加热炉中加热至1150～1180℃，并保温10min；

固定模具：将下模固定水平分模平锻机砧座上，将上模固定在平锻机夹紧滑块上，将冲头固定在平锻机主滑块上；通过该平锻机同时将上模、下模和冲头预热至200℃。

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