一种多爪构件的全纤维仿形锻造成形方法与流程

本发明属于锻造技术领域，特别涉及一种多爪构件的全纤维仿形锻造成形方法。

背景技术：

大型起重船用吊钩绝大部分为铸件，其在使用过程中经常在吊钩爪的u型部位应力集中处出现龟裂，反复返修，给大型起重船造成严重损失。大连海事大学也同振华重工、上海重型机器厂合作进行过大型锻造吊钩的研制但均因技术能力不够、工艺方案落后等原因均告失败。

3000吨级及以上的吊钩直径达4米以上，且结构复杂，采用传统的锻造方式所需模具成本太高，且压机所需压力太高，传统锻造方式无法锻造出合格的吊钩锻件。国内涉足大型船用吊钩制造的企业主要有上海重型机器厂和振华重工，但这两家企业在制造3000吨级及以上的整体锻造吊钩的过程中采用了气割饼形锻件出吊钩爪的方法，变形小，铸态残留高，因此吊钩整体性能差、爪根部易开裂、表面质量差，并且这些问题频发，因此设计部门或是用户也在寻求能够整体锻造优质大型船用吊钩的重型装备制造企业。

技术实现要素：

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种多爪构件的全纤维仿形锻造成形方法，用以解决现有技术中3000吨级及以上多爪构件整体性能差、爪根部易开裂、表面质量差等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种多爪构件的全纤维仿形锻造成形方法，包括以下步骤：

s1.绘制吊钩锻件图；

s2.将坯料加热镦粗；

s3.进行分瓣锻造；

s4.进行拔长锻造；

s5.进行平齐、镦粗；

s6.将成形环体放置于坯料之上并对中，下压成形环体；

s7.将下压后的成形环体和坯料一同起吊至下模中，再次下压成形环体，获得u型弯以及中间锥体；

s8.将冲子放置于中间锥体上端并对中，进行冲孔操作，中间锥体成为空心锥体，获得吊钩锻件。

进一步的，步骤s3中，采用上锤头和下锤头进行分瓣锻造；

上锤头为v型砧，v型夹角为90°；v型砧挤压段端为向内弯曲的弧形，上锤头长度与圆柱坯料长度相匹配，上锤头与下锤头形状相同。

进一步的，α≥β；α为成形环体内斜壁与竖直方向的夹角，β空心锥体的母线与中心线之间的夹角；

成形环体的最小内径等于空心锥体的上端面外径，成形环体的最大外径等于勾爪勾尖的内轮廓长度，成形环体的高度为吊钩勾尖距离空心锥体底部的高度与吊钩勾爪u型弯底平面距离空心锥体底部高度的差值；

θ＝arctan((d0/2-(h2-h1)tanβ-d3/2)/r2)

γ＝arctan(r1/(d4/2-d0/2)

式中，θ为底斜壁与水平面的夹角，γ为外斜壁与竖直线的夹角，d0为两个互成180°钩爪的u型弯与锥体交界处的过渡圆角r2的圆心之间的距离，h2为空心锥体高度，r1为勾爪u型弯第一过渡圆角半径，r2为勾爪u型弯第二过渡圆角半径。

进一步的，步骤s2将坯料加热至1230～1270℃，镦粗至h6；

h6＝(1.1～1.2)h3

式中h3为吊钩勾尖距离空心锥体底部的高度。

进一步的，步骤s3具体步骤包括：将坯料放置于下锤头上，上锤头、下锤头长度方向的中心线与坯料轴向中心线在同一平面内，上锤头下压进行锻造操作；第一道次压制完成后，抬起上锤头，坯料翻转90°，进行第二道次压制，依次执行下压、抬锤、翻转坯料90°操作，直至上、下锤头间距达到设定值。

进一步的，步骤s4为：使用上平砧和下平砧齐拔长锻造后坯料各瓣的根部，将每一瓣满砧顺锤压下，直到其各瓣厚度达到设定值，完成拔长锻造。

进一步的，坯料带有坯料钳口，用于分瓣锻造及拔长锻造时对坯料进行夹持。

进一步的，步骤s4还包括：对齐坯料根部气割除去坯料钳口。

进一步的，坯料为圆柱形坯料，圆柱坯料满足：

6.162dl×ll＝1.75v0

dl/ll≤2.5

式中，dl为圆柱坯料直径，ll为圆柱坯料长度。

进一步的，冲子形状为锥台形，用于成形吊钩锻件中心孔；冲子下端面直径等于吊钩锻件中心孔内径。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)本技术方案中预制锻坯(即s3分瓣锻造后的十字锻坯)、模具结构简单，操作过程简便易行，成形质量稳定，大幅提高成品合格率，缩短制造周期，降低锻件制造成本。

2)无火焰切割，强制变形程度大，锻透性好，吊钩锻件流线完整，可以提高锻件的机械和理化性能，提高吊钩件的起吊能力与安全可靠性，同时大幅减少大型起重船靠岸检查时间，提高大型起重船的商业运行效率与经济效益。

3)大幅减少切削加工量，节省金属材料，降低成本；可直接应用于其他类似多爪或多节支锻件的研发制造。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1本发明吊钩锻件剖视图；

图2本发明吊钩锻件空心锥形示意图；

图3本发明吊钩锻件俯视图；

图4本发明冲子结构示意图；

图5本发明成形环体的剖视图；

图6本发明上(下)锤头的结构主视图；

图7本发明上(下)锤头左视图；

图8本发明下模的结构示意图；

图9本发明分瓣锻造后的坯料主视图；

图10本发明分瓣锻造后的坯料左视图；

图11本发明侧向拔长示意图。

附图标记：

1-外竖直壁；2-外斜壁，3-底斜壁；4-内斜壁；5-内竖直壁；6-起吊孔；7-坯料钳口；

d0-两个互成180°钩爪的u型弯与锥体交界处过渡圆角r2圆心之间的距离；d1-空心锥体中心孔内径；d2-空心锥体下端面外径；d3-空心锥体上端面外径；d4-吊钩勾尖内轮廓长度；d5-吊钩勾尖外轮廓长度；d6、d7-吊钩勾爪外径；d8-冲子下端面直径；d9-冲子上端面直径；d10-成形环体最小内径；d11-成形环体最大外径；

r1-勾爪u型弯第一过渡圆角半径；r2-勾爪u型弯第二过渡圆角半径；r3-勾爪根部外轮廓圆角半径；r4-下模圆弧半径；r5-上锤头圆弧半径；

h1-吊钩勾爪u型弯底平面距离空心锥体底部的高度；h2-空心锥体高度；h3-吊钩勾尖距离空心锥体底部的高度；h4-冲子高度；h5-成形环体高度；h6-漏盘镦粗后的锻坯高度；h7-分瓣锻造一道次结束时上下锤头之间的间距；h8-锻坯置于大平台后，进行平齐镦粗后的高度；h9-锻坯置于大平台后，成形环体的压下量；h10-锻坯和成形环体一同起吊至下模后，成形环体的压下量；

b1-吊钩锻件钩爪根部长；b2-吊钩锻件钩爪中部长；b3-吊钩锻件钩爪端部长；b4-吊钩锻件钩爪端部宽；b5-吊钩锻件钩爪中部宽；b6-吊钩锻件钩爪根部宽；

上述长度、半径等的单位均为mm；

α-成形环体内斜壁4与竖直方向的夹角；β-空心锥体母线与中心线之间的夹角；θ-底斜壁3与水平面的夹角；γ-外斜壁2与竖直线的夹角。

具体实施方式

以下结合具体实施例对多爪构件的全纤维仿形锻造成形方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

本发明的一个具体实施例，一种多爪构件的全纤维仿形锻造成形方法，包括以下步骤：

s1.绘制吊钩锻件图；

吊钩锻件结构如图1-3所示，根据需要加工图纸的要求确定空心锥体中心孔内径d1、空心锥体下端面外径d2、空心锥体上端面外径d3，上端面为小头端，下端面为大头端、空心锥体高度h2、空心锥体母线与中心线之间的夹角β、吊钩勾尖内轮廓长度d4、吊钩勾尖外轮廓长度d5、吊钩勾爪外径d6(d7)，d6、d7为吊钩锻件钩爪外轮廓的最大外径、勾爪u型弯第一过渡圆角半径r1；勾爪u型弯第二过渡圆角半径r2、勾爪根部外轮廓圆角r3、吊钩勾尖距离空心锥体底部的高度h3、吊钩勾爪u型弯底平面距离空心锥体底部的高度h1，空心锥体母线与中心线之间的夹角β。

根据吊钩锻件结构设计专用辅具：

冲子：冲子形状是一个锥台，如图4所示，主要作用是用于成形吊钩锻件中心孔，其中冲子上端面为小头端、下端面为大头端，下端面直径d8等于锻件中心孔的内径d1，高度h4＝h2/3，冲子上端面设有起吊孔6，上端面直径小于d8，便于冲子的取出。

成形环体：如图5所示，成形环体是一个圈类件，包括外竖直壁1、外斜壁2、底斜壁3、内斜壁4、内竖直壁5，主要作用是用于成形吊钩锻件勾爪、勾爪u型弯及中间锥体。成形环体根据中间锥体上端面外径d3、空心锥体母线与中心线之间的夹角β、勾爪勾尖内轮廓长度d4、勾爪u型弯过渡圆角r1和r2等制造。其中成形环体内斜壁4与竖直方向的夹角α大于等于空心锥体母线与中心线之间的夹角β，易于脱模，成形环体最小内径d10等于空心锥体上端面端外径d3，成形环体最大外径d11等于勾爪勾尖内轮廓长度d4，成形环体总高h5等于吊钩勾尖距离空心锥体底部的高度与吊钩勾爪u型弯底平面距离空心锥体底部高度的差值,即h5＝h3-h1，成形环体底斜壁3与水平面的夹角θ等于arctan((d0/2-(h2-h1)tanβ-d3/2)/r2)，成形环体外斜壁2与竖直线的夹角γ等于arctan(r1/(d4/2-d0/2)。

上(下)锤头：如图6-7所示，主要作用是用于坯料的分瓣(各瓣最终对应四个勾爪)。由于吊钩的四个勾爪呈90°均布，因此上(下)锤头夹角设置为90°；圆弧半径r5根据吊钩锻件空心锥体下端面和上端面外径d2、d3确定，r5初始值设定为d2、d3的平均值，然后通过数值模拟对其进行优化，先用ug建立三维模型，导入deform软件中，编辑温度1250±20℃，润滑状态，摩擦系数为0.3，成型速度为10mm/s，调整r5数据进行优化；所述上锤头长度l1与圆柱坯料长度相匹配；所述上锤头与所述下锤头形状相同。

下模：如图8所示，主要作用是用于成形勾爪根部外轮廓，参数r4根据勾爪根部外轮廓圆角r3制造。

锻件下料重计算：下料重根据塑性变形前后体积不变特点计算。锻件精加工体积(即吊钩锻件成品体积)为v0，则锻件的体积v＝kv0；

其中，k-体积系数，主要根据锻造规范余量、各火次锻造火耗计算得到，四爪吊钩k＝1.75。

锻件下料尺寸计算：锻件下料直径dl和下料长ll需要满足：

6.162dl×ll＝1.75v0；

此外，为避免镦粗时坯料失稳，下料尺寸还需满足：dl/ll≤2.5。

s2.将坯料加热镦粗；

坯料采用带钳口的圆柱坯料，在锻造前，在水压机工作台面上放置镦粗漏盘。坯料加热至1250℃±20℃后，将坯料吊入漏盘中镦粗至h6，h6＝(1.1～1.2)h3。

s3.进行分瓣锻造；

在水压机工作台面上放置下锤头，水压机活动横梁悬挂上锤头，并进行模具对中。操作机夹持坯料钳口7，将坯料放置于下锤头上，上下锤头长度方向需与坯料轴向保持在同一直线上。一切就绪后，进行分瓣锻造。

活动横梁下行，进行锻造操作，第一道次压制完成后，活动横梁上行抬起上锤头，坯料翻转90°，进行第二道次压制。之后，依次执行下压、抬锤、翻转坯料(90°)、下压、抬锤的操作，直至上下锤头间距达到设定值h7，h7＝d3。分瓣锻造后坯料如图9-10所示。

s4.进行拔长锻造；

锻造开始前，水压机上横梁悬挂上平砧，工作台上摆放下平砧；水压机设置上、下平砧间间距。操作机侧向夹持锻件或抱住坯料钳口7，上下平砧齐各瓣根部将每一瓣满砧顺锤压下，直到其各瓣厚度达到设定值，完成坯料四瓣拔长锻造。坯料分瓣侧向拔长后如图11所示。

db1＝k1b1；db2＝k2b2；

db3＝k3b3；db4＝k4b4；

db5＝k5b5；db6＝k6b6；

其中，k1，k2，k3，k4，k5，k6为补偿系数，可通过数值模拟获得：初设db1＝db2＝db3＝200mm，db4＝700mm，db5＝900mm，db6＝1100mm(初设值参考精图尺寸)，采用deform软件进行数值模拟，调整k值，获得相应的优化后的补偿系数k1，k2，k3，k4，k5，k6。

s5.进行平齐、镦粗；

齐坯料根部气割坯料钳口7。锻造前，水压机移动工作平台上放置大平台、镦粗盖板和下模，在大平台上进行纵向和横向的中点标记；将坯料放置于大平台之上，并进行对中，尽量保证坯料纵向和横向位于大平台的中间位置。镦粗盖板放置于坯料上端面，镦粗坯料下压量为h8。本火次镦粗，主要起到平整端面的作用，因此h8＝100～200mm；

s6.撤走盖板，将成形环体放置于坯料之上并对中，水压机活动横梁施压于成形环体，压下量为h9，h9＝h6-h8-h1；

s7.将所述坯料和成形环体一同起吊至下模中，水压机施压与成形环体，压下量为h10，h10＝100～200mm；此步骤的主要作用是成形环体将坯料整体镦粗，在镦粗过程中，成形出吊钩锻件的钩爪及中间锥体；

s8.将冲子放置于坯料上端并对中，进行冲孔操作，获得吊钩锻件。通过起吊孔6将冲子吊至坯料上，由于吊钩专用辅具冲子高度h4小于空心锥体高度h2，因此冲孔过程中，专用辅具冲子需要配合多个通用空心冲子使用。

最后，起吊坯料及成形环体至大平台，将冲子放置于坯料上端(注意模具对中)，完成冲孔操作，结束中间空心锥体带有四个钩爪的整体吊钩锻件即全纤维仿形锻造全部过程。

本发明由于采取以上技术方案而具有的优点：1.本技术方案中预制锻坯、模具结构简单，操作过程简便易行，成形质量稳定；2.大幅减少切削加工量，节省金属材料；3.锻透性好，吊钩锻件流线完整，可以提高锻件的性能等级(机械和理化性能)；4.缩短制造周期；5.大幅提高成品合格率、降低锻件制造成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。