梅花板手制坯辊锻--模锻工艺及模具设计

摘要：本文叙述了用归工艺生产梅花板手所存在的问题及用辊锻制坯----小毛边模锻工艺生产的优点，并对梅花板手进行了工艺分析。介绍了梅花板手制坯辊锻工艺和小毛边模锻工艺及其模具设计。
主题词：梅花板手 辊锻 模锻 模具设计

1概述

梅花板手是一种用得很广泛的手工工具，型号多，批量大。类似零件还有双头呆板手，两用扳手等。过去虽然已进行了一系列改进，使原来完全依靠落后的手工锻造生产方式逐步改进组成了具有一定水平的镦头--辊轧--模锻流水线。但该流水线还存在工序多、材料利用率低、劳动强度大等不足之处。

辊锻是目前国内外广泛采用的一种较先进的塑性成形工艺。它既可作为模锻前的制坯工序，亦可直接辊制锻件。这种辊锻工艺不仅具有获得精确形状及尺寸的光滑表面毛坯，还具有生产率高、模具寿命长及材料利用率高等优点。

辊锻是使毛坯（冷态的或热态的金属）在装有圆弧形模块的一对旋转锻辊中通过（图1）时，借助模具型槽使其产生塑性变形，从而获得所需要的锻件或锻坯。

下面以16×18mm梅花扳手为例作详细介绍。

2工艺分析

图2为16×18mm梅花扳手零件图，材料为45号钢，两头部热处理淬头回火硬度为HRC38～45。按锻造工艺的形状类别，其形状是属于两头粗大、中间杆状的长轴类锻件，所以必需采用辊锻成形才能达到所要示的制件形状及尺寸。

从多年生产实践分析可知，毛坯轴线方向与打击方向互相垂直，金属主要沿高度及宽度方向流动，而沿长度方向流动很小。其特点：a.锻件的长度与宽度、高度的尺寸 比例大；b.锻件沿长度方向其截面积变化较大。因此，在大批量生产时，必需考虑采用效率较高的制坯工步--辊锻工艺及终成形工艺---小毛边开式模锻，所以梅花扳手的塑性成形工艺主要包括：a.高速锯切下料；b.感应加热；c. 辊锻制坯；d.摩擦压力机模锻；e.冲床切边；g.冲孔；h.冲十二角。

3模锻工艺

该零件除了两头平面刮平与倒角外，其余均不经切削加工，故该零件图基本上为锻件图。

模锻生产过程、工艺规范制订、模具设计、锻件检验及锻模制造等都离不开锻年图，设计时一般应考虑解决下列问题：

3.1确定分模位置

锻件分模位置合适与否，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等一系列问题。确定分模位置最基本原则是保证锻件状尽可能与零件形状相同和锻件容易从锻模型槽中取出；此外，还应争取获得镦粗充填成形的良好效果。为此，根据梅花扳手的形状特点，分模线设在锻件的中央，如图2中粗线所示。这样模锻时将产生水平分力，为平衡这个错移力，将扳手柄部型槽设计成与水平线成α倾斜角（图3），以形成自然的锁扣，α角的大小根据大小头模具型槽的深度（图3中之A、B）及水平分力大小而定，同时还须考虑模具的强度及前一工步的关系。

现取α=7o。其大小头模具型槽深度可基本相同，且模具强度较高，辊锻后的坯料可开成平直形状水平地放进模锻型槽，定位较好。

3.2其它工艺参数

设计锻件图时，还需要决定公差、模锻斜度、圆角半径，但基本上与常规方法相似。

3.3确定局部小毛边槽型式及时性尺寸

考虑到辊锻后成形的坯料在杆部和部分头部已有1～1.25mm厚的毛边，故在杆部不再设置毛边槽，易模锻时上下模表面不接触，其中留有1.5mm的间隙。锻件两端头部的形状复杂，难以充满型槽，为了补足其金属体积，故在其轮廓四周选用如图4的小毛边槽型式，其尺寸为:h1=1.5mm，h=3mm，b=5mm，b1=10mm。

3.4计算毛坯截面图及直径图

模锻时，最好先将等截面的棒料预制成不等截面的中间毛坯，使其每一截面面积等于锻件的相应截面积再加上相应的小毛边截面积，然后将此中间毛坯放入模锻型槽中进行模锻，这样，可保证各截面处金属足够，充填良好，变形后多余金属沿锻件两端头部轮廓分模线上将形成较小的毛边。这种理想的中间毛坯称为“计算毛坯”。计算毛坯可用计算毛坯截面图与计算毛坯直径图表示，两者统称为计算毛坯图。

计算毛坯截面图是沿锻件轴线方向截面积变化的图像。计算毛坯直径图是锻件轴线方向直径变化的图像。两者都反映了锻件长度（轴线）上金属分布的情况。关于毛坯截面图及直径图的计算方法与常规方法相似。

根椐毛坯截面图可确定坯料的体积V=35500mm3。

3.5 模具型槽的设计

模具型槽是锻件时最后成形的型槽，它是按热锻件图制造和检验的。开式模锻时，梅花扳手两头的型槽沿分模面设置小毛边槽，而杆部体积能正确计算及容易成形，故不设毛槽。锻件在模具型槽里锻好冷却到室温时，其尺寸要缩小，所以热锻件图要按锻件图（冷）放大一个收缩量。对梅花扳手钢锻件的收缩率一般取1.2%。模具型槽 的主要尺寸见图5。

当倾斜角α=7o时，错移力未完全平衡，故设置了外加平衡锁块，见图3所示。

3.6 模锻力的计算

模锻所需的压力可按下式计算：

P=K(2+0.1(Fsqrt(F))/V)σb.F

式中P--模锻力，N
K--系数，当开式模锻时取K=3.5
F--锻件投影面积，mm2,根据计算为4200mm2
V--锻件体积，mm3,根据计算为35500mm3
σb--模锻终了时的金属强度极限，MPa,按45号钢选用60MPa

计算后得 P=2500kN

故选用3000kN摩擦压力机进行生产,模锻时坯料温度为900～950oC。

4辊锻制坯工艺

4.1选择原毛坯尺寸

辊锻过程中，毛坯每一道变形时，除了少量金属展宽外，大部分金属都沿锻件轴线被延伸，使毛坯模截面不断减小。因此，选择原毛坯截面尺寸，可按下式确定原毛坯的截面积：

Fo=K.Fmax

式中Fo--原毛坯截面积，mm2
Fmax-- 锻件最大截面积，mm2
K--截面增大系数，取K=1.1～2.0

原毛坯长度尺寸可根据梅花扳手锻件图来进行计算的。经计算并按钢材标准规格，最后选定的实际原毛坯尺寸为φ18×140mm。

4.2确定辊锻道次

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响。如果选择道次过多，则将增加辊锻模具的数量，同时延长操作时间，使生产率降低。反之，如果辊锻道次过少，则将使金属分配不全理或使金属变形加剧，影响继续辊道次的主要依据是金属延伸量的大小及制作成形的难易程度，可按下式初步确定辊锻道次N：

N=lgλ/1gλ平

总延伸系数λ等于原毛坯横截面积Fo与辊锻后锻件的最小截面积Fmin之比，即λ=Fo/Fmin=254.34/121.5=2.09.

平均延伸系数λ平一般为1.5～2.5.

根据辊锻道次的计算及梅花扳手坯料工艺的分析，代入上式得N=1g2.09/1g2=1.06,辊锻道次选为N=1。

4.3 设计辊锻后制坯的形状及尺寸

辊锻制坯的形状应根据计算毛坯直径图的数据来进行设计，其形状及尺寸见图6所示。

4.4 确定辊锻模具型槽尺寸，根据生产中实际数据，其前滑量S=2%～3%,取S=2.5%计算：

①模具型槽的总长度 L=L坯/1+S=262/102.5×100≈255mm
②大小头尺寸：按锻件和毛边的体积定出φ27×15和φ23×25的扁球体，但两头都留有5mm伸缩量，以利充满模锻型槽。
③杆部截面为椭圆形，其体积取决于锻件杆部体积，因模锻时杆部不再溢出毛边。其它尺寸则参照锻件尺寸确定，参见图2。
④毛边：在两锻辊中间留有1.25mm的间隙。毛边自然形成。

由上可得辊锻模型的形状及尺寸，见图7所示。

5切边、冲孔及冲十二角

梅花扳手模锻后，还需进行切边、冲孔及冲十二角。这些工艺所用的冲模均为一般热冲模结构，在标准压力机上进行冲压，故不再作工艺分析。

6模具材料

锻压模和辊锻模在工作时都承受着较大的压力，另一方面又在反复受热和冷却的条件下工作，通常模具受热的温度可达350～500oC。因此，模具内部在交变应力的作用下，极易形成热疲劳裂纹。为保证模具的使用寿命，锻压模和辊锻均选用3Cr2W8合金模具钢。由于锻压模需要量较大，可采用冷压方法制造。
锻压模和辊锻模的热处理工艺，经淬火及回火后的硬度为HRC48～51。

7 结论

在梅花扳手一具零件生产中，采用辊锻技术和小毛边模锻组成先进的成形工艺，在技术上和经济上有了明显的提高，即简化了生产工序，提高了产品质量及合格率，又减少了基本设备投资，降低了产品成本。