专利名称：大型滚轮或齿轮锻件成形装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于锻造领域，具体地说就是一种大型滚轮或齿轮锻件成形装置，它 适用于大型滚轮或齿轮锻件的工艺设计和制造过程。
背景技术：
现代工业设备的发展趋于大型化，大型设备零部件的加工工艺日益引起制造业的 重视。大型滚轮直径可达数米，重量达数吨，是部分特种车辆、轮船的重要部件。传统上尺寸较小的滚轮锻件一般采用整体模锻方法一次成型，由于模锻所需压力 很大，对于直径达1米的滚轮，通常需要万吨压机才能够充分成型，这大大提高了生产成 本，因此整体模锻方法很难应用于大型滚轮的成型过程中。一些企业采用将坯料锻造成圆环状，然后通过机械加工加工出轮缘之间的U形凹 槽的方法。这种方法增加了锻件的加工余量，降低了材料利用率，延长了产品的生产周期， 造成了极大的浪费。此外，这种方法在机械加工的过程将切断锻件固有的纤维流线，影响产 品的组织性能。还有企业采用将两个轮缘分别进行锻造，之后焊接为一体的方法。这样制造 出的滚轮可靠性远不如直接锻造成型的滚轮，在使用过程中沿焊缝附近开裂可能性很大。大型齿轮是制造冶金、矿山、采煤、石油和水泥等行业大型机电设备的重要传动部 件，广泛应用于大型装备制造业。齿轮锻件的外形和锻造方法与滚轮锻件基本一致，区别在 于如果制造齿轮，在对锻件进行机械加工时需要将锻件外缘加工出一圈轮齿，而如果制造 滚轮则不需要此过程。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种大型滚轮或齿轮锻件成形装置，该工艺操作简 便，能够使用较小压力的压机使滚轮或齿轮成型，保证滚轮或齿轮锻件的质量。采用该装置 及操作方法锻造得到的滚轮或齿轮锻件加工余量均勻，各部分尺寸均能满足零件要求。本实用新型的技术方案是一种大型滚轮或齿轮锻件成形装置，该成形装置具有下砧，下砧设有内柱、外环形 壁、有U形凸起的底座，内柱位于底座的中心，外环形壁位于底座的外周，底座上设有U形凸 起，U形凸起位于内柱和外环形壁之间，U形凸起与坯料上的U形凹槽相对应。所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置，该成形装置还具有360°环形上砧，环形坯 料置于下砧内，环形坯料轴线与下砧的轴线重合，360°环形上砧套在内柱上，环形坯料上 表面与360°环形上砧相接触，环形坯料下表面与下砧内的U形凸起相接触。所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置，该成形装置还具有120°环形上砧，环形坯 料置于下砧内，环形坯料轴线与下砧的轴线重合，120°环形上砧套在内柱上，环形坯料上 表面与120°环形上砧相接触，环形坯料下表面与下砧内的U形凸起相接触。所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置，下砧尺寸设计公式(单位，mm)为RIT= R1 零_ O 30)[0013]Ii2下=Ii2零+ (20 30)R3 下=R3 零 420 30)R4 下=R4 零《20 30)Ii1 下=2max(h2 零，h3 零)Hi1 零+(12 下 + (40 60)Ii2 下=Ii2 零-Ii1 零 + (20 30)Ii3 下=Ii3 零-Ii1 零 + (20 30)Cl1 下=150 250d2T=150 250rlT= r1#_(20 30)其中，滚轮或齿轮零件的尺寸代号含义如下R1 #代表中心孔的半径，代表内轮缘外表面的半径，民,代表外轮缘内表面的半 径，R4#代表零件整体半径，hi#代表两轮缘间U形凹槽处零件的厚度，代表外轮缘高度，
代表内轮缘高度，代表两轮缘间U形凹槽的圆角半径，max(h2#, h3#)代表取112,和 Ii3 #两者中的较大值；下砧的尺寸代号含义如下Rit代表下砧内柱的半径，&〒代表下砧底座上U形凸起内表面的半径，I 3T代表下 砧底座上U形凸起外表面的半径，R4t代表下砧外环形壁内壁的半径，Ii1 τ代表下砧整体的 高度，li2T代表下砧底座上U形凸起外侧的高度，h3T代表下砧底座上U形凸起内侧的高度， Cl1 τ代表下砧外环形壁的厚度，d2T代表下砧底座的厚度，τ代表下砧底座上U形凸起上表 面圆角的半径。所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置，下砧U形凸起的高度应大于零件中U形凹 槽的深度。所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置，360°环形上砧尺寸设计公式(单位，mm) 为R1 上=Ii2零+30)Ii2 上=R3零 30)Ii1 上=!!!已叉！；！^零-!^零，h3零_h1#) + (200 300)r1±= r1#_(20 30)其中，R1上代表360°环形上砧中心孔的半径，&上代表360°环形上砧的半径，h1± 代表360°环形上砧的厚度，巧上代表360°环形上砧下表面圆角的半径，max(h2#-h1#, h3 零-Ii1 #)代表取Ii2零-Ii1零和Ii3零-Ii1零两者中的较大值。所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置，120°环形上砧尺寸设计公式(单位，mm) 为R3 上=Ii2 零+30)R4上=R3零 30)h2±= !!!已叉！；！^零-!^零，h3零-h1#) + (200 300)巧上=r1#_(20 30)α 上=120°其中，代表120°环形上砧中心孔的半径，R4±代表120°环形上砧的半径，h2±代表120°环形上砧的厚度，r2±代表120°环形上砧下表面圆角的半径，α ±代表120°环 形上砧两侧表面的角度，max(h2 零-Ii1零，h3零-比零 )代表取Ii2 # Λ零和Ii3 #-Ii1零两者中的较 大值。一种大型滚轮或齿轮锻件成形装置的使用方法，包括如下步骤(1)将钢锭加热到指定温度，然后使用上平砧和下平砧将钢锭拔长为圆柱体形状 的坯料；( 将坯料放置在镦粗盘上，使用镦粗帽将坯料镦粗到指定高度，然后将坯料放置 在漏盘上，在坯料中心使用空心冲子冲孔；C3)将环形坯料放在下砧内，使环形坯料轴线与 下砧轴线重合，使用360°环形上砧下压，压下量为总压下量的40% 70%;(4)使用120° 环形上砧分三次分别下压坯料至步骤C3)完成后剩余压下量的55% 65%，每次下压完成 后将120°环形上砧绕轴线旋转120°再进行下一次下压，使三次下压完成后坯料上形成 一个完整的环状U形凹槽；( 将坯料重新加热后翻转，使用120°环形上砧分三次分别下 压坯料至步骤C3)完成后剩余压下量的35% 45%，每次下压完成后，将上砧绕轴线旋转 120°再进行下一次下压。所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置的使用方法，步骤(5)中第一次下压应压在 步骤中最后一次下压的对称位置，步骤(5)中第二次下压应压在步骤中第二次下 压的对称位置，步骤(5)中第三次下压应压在步骤中第一次下压的对称位置。所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置的使用方法，步骤(5)中的压下量小于步骤 (4)中的压下量，步骤(5)中的压下量为步骤C3)完成后剩余压下量的55% 65%，步骤 (4)中的压下量为步骤C3)完成后剩余压下量的35% 45%，以使上下面U形凹槽的深度 一致，保证上下轮缘的对称性。本实用新型中，大型滚轮或齿轮锻件的规格尺寸为外径> 500mm的滚轮或齿轮锻 件。本实用新型的有益效果是1、本实用新型确定了一种大型滚轮或齿轮锻件成形装置及使用方法，经模拟验 证，采用该方法生产滚轮或齿轮锻件，所需压机压力小于采用整体模锻方法的1/4，能够有 效节约生产成本，提高经济效益。与将坯料锻造成圆环状再加工出U形凹槽的方法相比，可 以减少滚轮或齿轮锻件的加工余量，提高材料利用率20%以上，大大降低了生产成本，缩短 产品的生产周期。2、本实用新型建立的大型滚轮或齿轮锻件成形装置及使用方法适用于生产各种 型号的大型滚轮、齿轮。生产新型号滚轮或齿轮锻件时，根据锻件图纸即可设计出成形装置 和锻造工艺，可大大减少设计时间，降低研制费用。
图la-f为滚轮或齿轮锻件锻造流程示意图，其中图Ia为钢锭形态示意图。图Ib为钢锭拔长过程示意图。图Ic为坯料镦粗过程示意图。图Id为坯料冲孔过程示意图。图Ie为使用360°环形上砧下压过程示意图。[0054]图If-I和图lf-2为使用120°环形上砧分三次分别下压的过程，图lf_l为俯视 图，图lf-2为沿轴线的P-P剖面图。图2为滚轮零件沿轴线的剖面图。图3为下砧沿轴线的剖面图。图4(a)_(b)为360°环形上砧的形状示意图。其中，图4(a)为俯视图；图4(b)为 沿轴线的M-M剖面图。图5(a)_(b)为120°环形上砧的形状示意图。其中，图5(a)为俯视图；图5(b)为 主视图。图6a为通过有限元模拟得到的实施例中步骤(3) (5)所需的压力状况。图6b为成型后的锻件(双点划线轮廓)与滚轮零件(黑色线轮廓)的比较。图6c为通过有限元模拟得到的对比例所需的压力状况。图中，1-钢锭；2-坯料；3-上平砧；4-下平砧；5-镦粗帽；6-镦粗盘；7-漏盘； 8-冲子；9-360°环形上砧；10-下砧；11-120°环形上砧；12-内柱；13-外环形壁；14-底 座；15-U形凸起。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本实用新型，本实用新型中除角度以外，其他长度单 位均为毫米。如图1-5所示，本实用新型大型滚轮或齿轮锻件成形装置具有上平砧3、下平砧4、 镦粗帽5、镦粗盘6、漏盘7、冲子8、360°环形上砧9、120°环形上砧11、下砧10，具体结构 如下如图lf-Ι、图lf-2和图3所示，下砧10设有内柱12、外环形壁13、有U形凸起15 的底座14，内柱12位于底座14的中心，外环形壁13位于底座14的外周，底座14上设有U 形凸起15，U形凸起15位于内柱12和外环形壁13之间，U形凸起15与坯料2上的U形凹 槽相对应。下砧10的作用在于使坯料2上下同时变形，同时形成轮缘结构。U形凸起15的 高度应大于零件图中U形凹槽的深度，这样可以保证锻造完成后轮缘有足够的高度，轮缘 处充分成型，满足零件加工的要求，同时减小坯料与下砧的接触面积，减少锻造所需压力。如图3所示，根据零件加工图纸设计得到的下砧尺寸设计公式(单位，mm)为Rit= R1 零_ O 30)Ii2 下=Ii2 零 + (20 30)R3 下=R3 零 _ OO 30)R4 下=R4 零 + OO 30)Ii1 下=2max(h2 零，h3 零)Hi1 零+(12 下 + (40 60)Ii2 ^ = Ii2 零 零 + (20 30)Ii3 下=Ii3 零 零 + (20 30)Cl1 下=150 250d2T=150 250rlT= r1#_(20 30)其中，滚轮零件的尺寸代号含义如下[0078]R1 #代表中心孔的半径，代表内轮缘外表面的半径，民,代表外轮缘内表面的半 径，R4#代表零件整体半径，hi#代表两轮缘间U形凹槽处零件的厚度，代表外轮缘高度，
代表内轮缘高度，代表两轮缘间U形凹槽的圆角半径，max(h2#, h3#)代表取112,和 Ii3 #两者中的较大值。下砧的尺寸代号含义如下Rit代表下砧内柱的半径，&〒代表下砧底座上U形凸起内表面的半径，I 3T代表下 砧底座上U形凸起外表面的半径，R4t代表下砧外环形壁内壁的半径，Ii1 τ代表下砧整体的 高度，li2T代表下砧底座上U形凸起外侧的高度，h3T代表下砧底座上U形凸起内侧的高度， Cl1 τ代表下砧外环形壁的厚度，d2T代表下砧底座的厚度，τ代表下砧底座上U形凸起上表 面圆角的半径。如图Ie和图4(a)-(b)所示，环形坯料2置于下砧10内，环形坯料轴线与下砧10 的轴线重合，360°环形上砧9套在内柱12上，环形坯料2上表面与360°环形上砧9相接 触，环形坯料2下表面与下砧10内的U形凸起15相接触。360°环形上砧9用于将坯料2 锻压至压下量为总压下量的40% 70%，这样坯料与下砧外环形壁13就会有较大接触面 积，在后续使用120°环形上砧锻压时，将有足够的摩擦力以防止另一端翘起，以保证坯料 的平整度。根据零件加工图纸设计得到的360°环形上砧尺寸设计公式(单位，mm)为R1 上=Ii2零+30)Ii2 上=R3零 30)Ii1 上=!!!已叉！；！^零-!^零，h3零-h1#) + (200 300)巧上=r1#_(20 30)其中，R1上代表360°环形上砧中心孔的半径，&上代表360°环形上砧的半径，h1± 代表360°环形上砧的厚度，巧上代表360°环形上砧下表面圆角的半径，max(h2#-h1#, h3 零-Ii1 #)代表取Ii2零-Ii1零和Ii3零-Ii1零两者中的较大值。如图If-I和图5 (a)-(b)所示，环形坯料2置于下砧10内，环形坯料轴线与下砧 10的轴线重合，120°环形上砧11套在内柱12上，环形坯料2上表面与120°环形上砧11 相接触，环形坯料2下表面与下砧10内的U形凸起15相接触。120°环形上砧用于在坯料 两轮缘间通过三次下压压出一个360° U形凹槽，使用120°环形上砧可以使坯料局部变 形，大大减少锻造所需压力。根据零件加工图纸设计得到的120°环形上砧尺寸设计公式(单位，mm)为R3 上=Ii2 零+30)R4 上=R3 零 30)h2±= !!!已叉！；！^零-!^零，h3零-h1#) + (200 300)巧上=r1#_(20 30)α 上=120°其中，代表120°环形上砧中心孔的半径，R4±代表120°环形上砧的半径，h2± 代表120°环形上砧的厚度，r2±代表120°环形上砧下表面圆角的半径，α ±代表120°环 形上砧两侧表面的角度，max(h2 零-Ii1零，h3零-比零 )代表取Ii2 # Λ零和Ii3 #-Ii1零两者中的较大值。[0096]大型滚轮或齿轮锻件成形装置的使用方法，整个锻压过程共五火(1)如附图 la-b所示，将钢锭1加热到指定温度，然后使用上平砧3和下平砧4将钢锭1拔长为圆柱 体形状的坯料2; ( 如附图lc-d所示，将坯料2放置在镦粗盘6上，使用镦粗帽5将坯料 2镦粗到指定高度，然后将坯料2放置在漏盘7上，在坯料2中心使用上平砧3作用于空心 冲子8冲孔，形成环形坯料；(3)如附图Ie所示，将环形坯料2放在下砧10内，使环形坯料 轴线与下砧10的轴线重合，此时将坯料上表面，即与360°环形上砧9相接触的面定义为A 面，下表面即与下砧10相接触的面定义为B面。使用360°环形上砧9下压，压下量为总 压下量的40% 70%，这样坯料2与下砧10的外环形壁就会有较大接触面积，在后续使 用120°环形上砧锻压时就会有足够的摩擦力以防止另一端翘起，保证坯料的平整度；(4) 如附图If-I和附图lf-2所示，使A面向上，使用120°环形上砧11分三次分别下压坯料2 至步骤C3)完成后剩余压下量的55% 65%。如图中所示第一次将120°环形上砧11放 在位置1进行下压，之后将其绕轴线旋转120°至位置2处进行第二次下压，再将其绕轴线 旋转120°至位置3处进行第三次下压，使三次下压完成后坯料2上形成一个完整的环状 U形凹槽；( 将坯料加热后翻转，使B面向上，放在下砧10内，使环形坯料轴线与下砧10 的轴线重合。使用120°环形上砧11分三次分别下压坯料至步骤C3)完成后剩余压下量 的35% 45% (此时完成剩余压下量)，每次下压完成后将120°环形上砧11绕轴线旋转 120°再进行下一次下压，使三次下压完成后在坯料2上形成一个完整的环状U形凹槽。步 骤(5)中第一次下压应压在步骤(4)中最后一次下压处，即位置3的对称位置，步骤(5)中 第二次下压应压在步骤(4)中第二次下压处，即位置2的对称位置，步骤( 中第三次下压 应压在步骤(4)中第一次下压处，即位置1的对称位置。由于使用120°环形上砧导致坯料 局部变形，步骤(4)结束后坯料上表面轮缘高度将高于下表面，通过控制步骤( 的压下量 以使坯料上下面U形凹槽的深度一致，保证上下轮缘的对称性。在步骤(5)中同样存在局 部变形因素，因此步骤(5)中的压下量应小于步骤中的压下量。实施例本实施例的锻造零件为某型号滚轮锻件，滚轮直径为1200mm，中心孔直径为 沈5讓，材质为42CrMo，锻件重约2吨，坯料加热温度为1200°C，整个锻造过程在3200吨水 压机上进行。步骤C3)进行前，坯料2尺寸为中心孔直径175mm，外直径550mm，高310mm。 步骤C3)使用360°环形上砧下压的压下量为110mm，下压完成后上砧与下砧U形凸起表面 的间距为200mm，完成后坯料与下砧充分接触，可以防止在使用120°环形上砧下压时坯料 另一端翘起。步骤(4)使用120°环形上砧分三次下压的压下量均为40mm，下压完成后上 砧与下砧U形凸起表面的间距为160mm。步骤(5)使用120°环形上砧分三次下压的压下 量均为30mm，下压完成后上砧与下砧U形凸起表面的间距为130mm。对步骤(3) (5)的 过程进行有限元模拟，图6a为模拟得到的各步骤所需压力状况，第1个峰值为步骤(3)完 成时所需压力，第2、3、4个峰值为步骤(4)中每一次下压完成时所需压力，第5、6、7个峰值 为步骤(5)中每一次下压完成时所需压力。由图中可见，3200吨水压机完全满足锻造工艺 的要求。与将坯料锻造成圆环状再加工出U形凹槽的方法所需坯料体积相比较，使用本实 施例中的方法可节约用料20%，对于U形凹槽更深的滚轮零件，节约用料的比例会更高。图 6b为成型后的锻件(双点划线轮廓)与滚轮零件(黑色轮廓线)的比较，由图可见工艺完 成后，锻件充型完整，整个锻件加工余量均勻，各部分尺寸均满足零件加工要求。[0099]对比例本对比例使用传统整体模锻方法锻造，其它条件与实施例均相同。图6c为模拟得 到的压力状况，由图可见所需压机压力为60000吨，远远大于实施例所需压机压力3200吨， 即使在锻造过程中增加火次，所需压力也将大于10000吨，这证明采用本实用新型中的方 法，可以使用较小压机锻造大型滚轮，能够有效节约生产成本，提高经济效益。本实用新型装置和使用方法同样适用于齿轮锻件成形，齿轮锻件的外形和锻造方 法与滚轮锻件基本一致，区别在于如果制造齿轮，在对锻件进行机械加工时需要将锻件外 缘加工出一圈轮齿，而如果制造滚轮则不需要此过程。结果表明，本实用新型建立的大型滚轮或齿轮锻件成形装置及使用方法适用于生 产直径较大，难以使用传统模锻工艺生产的大型滚轮或齿轮锻件。采用本方法生产大型滚 轮或齿轮锻件，能够大大减小锻造所需压力，很好地控制锻件的外形尺寸，减少滚轮或齿轮 锻件的加工余量，提高材料利用率，缩短产品的生产周期。
权利要求1.一种大型滚轮或齿轮锻件成形装置，其特征在于，该成形装置具有下砧，下砧设有内 柱、外环形壁、有U形凸起的底座，内柱位于底座的中心，外环形壁位于底座的外周，底座上 设有U形凸起，U形凸起位于内柱和外环形壁之间，U形凸起与坯料上的U形凹槽相对应。
2.按照权利要求1所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置，其特征在于，该成形装置还 具有360°环形上砧，环形坯料置于下砧内，环形坯料轴线与下砧的轴线重合，360°环形上 砧套在内柱上，环形坯料上表面与360°环形上砧相接触，环形坯料下表面与下砧内的U形 凸起相接触。
3.按照权利要求1所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置，其特征在于，该成形装置还 具有120°环形上砧，环形坯料置于下砧内，环形坯料轴线与下砧的轴线重合，120°环形上 砧套在内柱上，环形坯料上表面与120°环形上砧相接触，环形坯料下表面与下砧内的U形 凸起相接触。
4.按照权利要求1所述的大型滚轮或齿轮锻件成形装置，其特征在于，下砧U形凸起的 高度大于零件中U形凹槽的深度。
专利摘要本实用新型属于锻造领域，具体地说就是一种滚轮或齿轮锻件成形装置，它适用于各种型号大型滚轮或齿轮锻件成形的工艺设计和制造过程。本实用新型设计了360°环形上砧、120°环形上砧以及有内柱、外环形壁和U形凸起的底座结构的下砧，根据零件图纸，应用本实用新型中给出的尺寸设计公式，即可设计出与该零件相对应的模具及各种模具的配合使用方法。本实用新型建立的大型滚轮或齿轮锻件成形装置及使用方法适用于生产直径较大，难以使用传统模锻工艺生产的大型滚轮或齿轮锻件。采用本实用新型生产大型滚轮或齿轮锻件，能够大大减小锻造所需压力，很好地控制锻件的外形尺寸，减少滚轮或齿轮锻件的加工余量，提高材料利用率，缩短产品的生产周期。
文档编号B21K1/28GK201906782SQ201020677220
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者孙明月, 徐斌, 李殿中 申请人:中国科学院金属研究所