拉环锻造工艺设计

文／王金鹏·宝鸡石油机械有限责任公司

采用结合自由锻和模锻的方法对拉环锻件进行了试制，针对试制出的产品存在局部折叠、拉伤、生产效率低以及长度难以控制等问题，对工具工装进行改革，并分析、归纳出拉环开坯的展开长度，最终成功锻出符合设计要求的拉环锻件。

拉环是石油钻机井架配件上常用的关键零件，锻件外形复杂，尺寸要求严格，锻造难度高。锻成后通身打磨成活，因此对产品表面质量和尺寸精度有很高的要求。为保证生产出合格的拉环锻件，我公司工艺人员设计出自由锻结合模锻生产拉环的生产方法，并成功锻制出了质量合格的拉环锻件。

拉环锻造工艺设计

拉环锻件图如图1所示，考虑到该产品尺寸精度要求严格，公差范围窄，表面质量要求高等因素，可以采用整体模锻的方法生产，但受设备吨位和工具工装的限制，实际生产中，我们采用自由锻和模锻结合的方法生产，从而达到降低资金投入、节约原材料的目的。

该产品的锻造工艺流程为：下料→加热→对坯料两端面进行铆镦→加热→开坯→加热→对坯料煨弯并合档→加热→对煨弯区域进行模锻并切边→加热→整形→成活并冷却→正火。

图1 球头拉环锻件图及开坯图

结合自由锻和模锻生产该产品所用的工具种类较多，在生产中需要多次调弯和修整，根据锻件图设计制造相应的摔子、胎型及模具，部分工具示意图如图2所示。其中图2(a)为直摔子，用于成形拉环两端的杆部，图2(b)为锥形摔子，用于成形两个锥形部位。煨弯时用自制的U形胎型把坯料支起，坯料上面放一芯子，通过锤击，迫使坯料弯曲，如图2(c)所示。再用合档胎型对拉环进行合档。

图2 生产球头拉环原始使用的工具

拉环锻造工艺优化

通过试制，发现产品存在以下问题：⑴图1所示标记为1、2、3、4等部位整圈折叠，由于拉环通身为非加工表面，如果折叠较深，则会对零件的性能产生十分严重的影响，属于必须要避免的锻造缺陷；⑵煨弯时由于坯料与工具硬性接触并相对摩擦造成局部拉伤，如图2(c)所示标记为5、6处；⑶坯料煨弯时，由于料温不均匀、坯料与工具的摩擦以及芯子的位置不能准确对中等因素，造成坯料煨弯后，95%以上的产品存在中心偏移、两腿长度不一致的情况，需要合档工序进行修整，严重影响生产效率；⑷产品完成后，长度极容易超差，理论计算的开坯长度不能有效的指导生产。

针对以上产生的问题，我们进行了系统的分析和研究。拉环开坯时每个部位都是经过摔子摔圆的，造成折叠的部位正好是摔子的端面摔过的地方，经工艺人员研究分析，摔子圆角半径过小会导致坯料折叠。为此，我们增大了直摔子和锥形摔子端面的圆角半径。煨弯坯料时，由于坯料与工具硬性摩擦，造成坯料与工具接触部位局部拉伤，且自制的胎型开档略大，坯料的自由度较高，容易引起两腿长度不一致，需要在工具上进行改革。根据我公司正使用的煨弯机结构，我们做了一些改动，使得拉环可以在该设备上煨弯，原理如图3所示。

图3 改进后的工具示意图

用两个位置固定的滑轮与坯料直接接触，油缸推动芯子对坯料中间部位施力，使坯料产生弯曲，在弯曲过程中，滑轮随坯料转动，由工具与坯料之间的滚动摩擦代替原来的滑动摩擦，可有效的避免坯料拉伤。对于长度超差问题，经过数次试验并总结，该产品模锻后锥形区域将伸长，而且模锻时坯料在模具中的位置也会影响产品的成品长度，这些不确定因素是理论所无法计算的，因此而导致产品长度难以控制。为找到成形规律，确定拉环展开长度，我们对试制过的拉环进行多次跟踪测量、分析对比，终于得出拉环的开坯长度经验值。改进后，通过试验，易折叠部位均匀过渡无缺陷，拉环杆部光滑，可以满足非加工面要求。产品煨弯时，调整两个滑轮之间的距离到合适的煨弯档距，可以迫使坯料仅在中间部位弯曲，并在很大程度上避免了两端走料不一致的情况，为后续工序减少了调弯、借正等工序，大大提高了劳动生产率。为保证产品尺寸符合要求，生产过程必须有严格的生产过程控制。

锻造过程控制

下料

由于拉环长度公差小，料太大或太小都容易导致产品长度超差。经过长期的实践经验总结，用φ160mm圆钢下料，单件170kg，下料时长度公差控制在±5mm范围内。

开坯

拉环在开坯前应对坯料进行铆镦，使得坯料两端形成鼓肚，这样既可以保证球头摔满，无缺肉现象发生，又使球头部位流线完整，具有较高的机械强度。用摔子摔杆部时，要保证摔子两端有大圆角，避免造成坯料折叠。摔子摔完后，应保证杆部光滑，无氧化皮坑等现象。拉环开坯长度应严格控制，不可太短也不可太长，否则，煨弯后可能导致产品长度超差。由于该产品是对称结构，开坯时要保证两端对应长度相同；如开坯过程由两火次完成，为保证外径尺寸不因起氧化皮而减小，锻好的一头应留在炉子外面，仅对即将锻造的一端进行局部加热，此时再锻造时应考虑杆部的热缩量。

煨弯与合档

煨弯时，为明确坯料中心位置，可在冷态下用砂轮对中间位置做出标记，加热时应尽量使坯料受热均匀，以减小坯料煨弯时的偏移量。如果煨弯后中心位置偏移，在合档工序应对坯料进行借正，直至两腿长度一致为止。为确保合档工序锤面不伤到坯料，在调弯、借正时应用摔子扣在坯料上，锻锤直接对摔子施力。

模锻

对产品煨弯区域进行模锻。模锻后煨弯部分将由圆形截面变成扁圆形，此时，若坯料开坯较长，可把坯料往后放一些，以减小模锻后坯料增长；若坯料开坯较短，可把坯料往前放一些，以增大模锻后坯料增长，从而保证产品长度合格。但偏移量一定要把握好，不能为此使坯料充填不满。

由于该产品是局部模锻，锻锤打实后，模具以外部分变形较严重，待切边后，应趁热回炉加热，用专用胎型对产品进行调弯修整。

结论

采用自由锻与模锻结合的方法，我们成功的锻出拉环毛坯锻件。生产出的拉环尺寸符合工艺要求，表面质量满足非加工面要求。实践证明该锻造工艺合理，可以生产出质量合格的拉环锻件。