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黄铜闸阀体红冲工艺及模具设计 摘要：本文学习借鉴了国内外热锻的先进设备和工艺检验，提出了一套较完整的黄铜闸阀体红冲工艺过程及模具设计理论，并提供了较精准的相关设计参数。 关键词：黄铜闸阀体；热锻（红冲）；模具 Abstract：This paper learn from the advanced equipment and process inspection of hot forging at home and abroad，and put forward a complete set of brass gate valve body hot forging process and die design theory，and provide more accurate design parameters. Key Words：brass gate valve body，hot forging，die structure 0引言：阀门主要用于水、蒸汽、气体和油品等管道介质的流通与切断、流量与压力调节、改变流向等，而黄铜阀门是阀门中的高档产品，大多以民用为主。阀体是其中最主要和重要的零件，而闸阀体又是众多类型阀门中结构最复杂的，特别是大规格闸阀体，其加工工艺一直采用翻砂或压铸毛坯后再机加工。翻砂和压铸的毛坯，都存在较多的质量问题，如沙眼、气孔、裂痕等，且机械性能不良。采用红冲工艺代替，不仅使毛坯质量大大提高，还改善了劳动条件、节约了材料和能源。 一 工艺概述 红冲又叫热锻，在制造业中大家更习惯于“红冲”的叫法，是一种对金属材料进行少无切削的热挤压工艺。是将金属材料加热到一定温度后，在红冲模具型腔内，在冲压设备的往复运动的压力作用下产生塑性变形，成型为需要的形状和尺寸的坯件。在一般情况下能一次成型，并能一次性实行多方位的脱模动作。 二 材料的选择 与以往翻砂和铸造采用材料熔炼中控制成分配比方式不同，红冲直接选用普通圆形棒料即可，形变量大的毛坯为了成型效果更好也可采取异形料。黄铜棒有连铸棒、热轧棒和挤压棒3种，其中挤压棒性能最好，成本相对较高；连铸棒相对铜密度低、有晶粒间隙，但价格上有优势。经不断的实践尝试，可用于红冲的黄铜棒料牌号范围较广。铜含量一般要求高于55%，否则会使原材料的塑性和可锻性降低，成型后的毛坯塑性和力学性能急剧下降，极易造成开裂和断裂。棒料中含有3.5%以下的铅有利于阀体毛坯在下一步的金加工中切削性能的提高。在无铅或少铅棒料中，则会采取用硅、铋等元素的替代来增加切削性能。铅含量超过3.5%，同样会造成成型后的毛坯塑性和力学性能的下降。一般含有微量的铝，会有助于改善材料的流动性。但如果含量高于0.35%的铝，则会使阀体红冲件容易发生脆性，甚至会在阀门安装、使用过程中产生开裂。应用最广、性能较优的牌号为HPb59-1和HPb60-2等。 三 加热及温度的控制 红冲加热方式已经过了几代改进。一开始的煤油喷灯，设施投入少、使用灵活，但段料受热不均和加热温度测量与控制难度大，且作业环境恶劣。目前也有使用电感应炉加热的，但效果最理想的还是煤气自动加热炉，能自动控温，段料加热均匀，并能自动检测、筛选达标段料，国产煤气自动加热炉性能也越来越好。 段料加热的目的是提高合金的塑性、降低抗变形力，也使合金内部分子结构更加均匀，冲压件就能具有良好的线状结构和力学性能。红冲的温度范围是指段料从开始被挤压到挤压终止的温度，温度越高越利于挤压，但温度过高会使金属表面产生氧化皮，甚至过烧。由于段料加热后到进入模腔有一定的热量损失，同时高速冲压过程也会产生一定的温度，综合来说段料加热温度一般要稍高于红冲温度范围。加热温度根据不同材料牌号的特性有所区别，通常为低于金属熔点130~200℃。HPb59-1的红冲温度在650~750℃，HPb60-2的红冲温度范围在670~730℃。 四 冲压设备的选择 黄铜毛坯红冲在普通通用压力机上就可实现。由于闭式压力机的刚度、冲压行程、精度等都要高于开式压力机，闸阀体的冲压设备一般选用闭式压力机，阀体规格特别小的也可采用开式。对冲压设备的选择主要在于公称压力的合理选择、冲压行程与最大装模高度的限制，必要时还要考虑工作台尺寸限制。公称压力是最主要的选择参数，通过对阀体形变所需锻压力的测算确定，复合形变抗力简化公式F=kσs。式中：F复合形变抗力；σs挤压终了温度材料的变形抗力或屈服极限，HPb59-1和HPb60-2的热锻终了温度约为650℃，此时屈服极限约为60MPa；系数K其实十分复杂，涉及的影响因素较多，主要的是段料的重量、挤压的复杂程度和壁厚等，且闸阀体采用的并不是简单的上下凸凹模的实心冲压，而是带抽芯的多向挤压，冲压力不光要提供纵向锻压力，还需要横向的合模力。另外，在曲柄压力机上进行红冲，还需根据压力机的许用符合特性计算出红冲真正开始时的许可压力，需通过冲压开始时压力机曲柄转角α，挤压行程s，曲轴半径r计算。Cosα=[22（1-s/r）+（s/r）2]/2/（11-s/r）。当然，我们也从经验公式和实践验证中得出了一般的选用对应参考表。 五 模具的设计 ①模框设计：黄铜闸阀体需三个方向的抽芯，如采用平开模，则对模具要求较高，压力机吨位要求也会提高不少。立式哈呋外开模只适用于小规格阀体，且由于冲压过程中是哈夫模及两侧横芯先合模固定后，再放入段料冲压，所以横芯进入型腔的尺寸只能设计得很短，不得超过型腔中阀体颈部外侧尺寸，如图1所示，横芯头部不能超出直线aa的位置。否则段料会被横芯阻挡无法完全放入型腔，且阀体通水孔两侧形变阻力太大易造成大批开裂。 大规格闸阀体采用如图2所示的钟罩模设计是最为合适的，可安装在通用闭式单点压力机上使用。利用上模的锥形锁模圈4，压紧下模4块斜滑块14、15、2（2个）来带动各自的四个模块相互锁紧，前后2个型腔模块20固定在前后斜滑块14和15上，左右2个横型芯3固定在左右斜滑块2上，上型芯通过上型芯固定圈12固定在上模板1上，下型芯10固定在下模板9上。工作时，锥形锁模圈4罩住下模的4块斜滑块随着二者斜面的相互作用及压力机滑块下行，驱动4块斜滑块和上、下型芯同时进行挤压，当压力机滑块运行到下死点时，坯料锻压成型。压力机滑块回程，锥形锁模圈4跟着上行，此时4个脱模斜块5恢复开启，前后2个型腔模块20及左右横型芯3同时作脱模和抽芯运动，抽芯移动距离受导柱11限制。脱模过程中，前滑块再进一步向外拉开，在打杆16的作用下，毛坯将被留在后镶块上，这也方便毛坯的取卸。钟罩模框有4个镶块，其中左、右两镶块用来安装左、右横芯，上、下两模板来安装上、下型芯，因此有上下左右四个方向的抽芯。而闸阀体是个三通形式，只需3个方向的抽芯，上、下型芯中只需利用其中一个就行，统称中型芯，图2中是采用了下型芯的方式。 图2 钟罩模 注：1上模板 2横芯滑块（左右各一）3横芯（左右各一）4锥形锁模圈 5脱模斜块（下模滑板上各一）6滑板（4块）7滑板垫块 8底板 9下模板 10下型芯 11导柱（4根）12上型芯固定圈 13上型芯垫块 14镶块固定用前滑块（无打杆）15镶块固定用后滑块（带打杆）16打杆 17打杆固定总成 18下型芯固定圈 19下型芯垫块 20型腔镶块（2块） ②模框设计确定后，镶块的外形尺寸基本固定，镶块的设计主要是对模具型腔、型芯的设计。型腔与型芯如按毛坯图设计，则只需考虑金属的收缩率。按阀体零件图设计，则还需考虑机械加工余量进行设计，尽量减少机械加工面和加工难度。如图1，阀体外形基本不加工，只在上、左、右三个端面留1mm左右的加工余量，当然根据规格大小会有调整，及一定的脱模斜度，一般在15o左右。过渡位置采用圆角，圆角越大，越容易成型，但以不破坏阀体整体造型为原则。内腔抽芯：a在三个端部内径按阀体螺纹小径留1mm左右的加工余量；b中型芯按阀体与闸板密封配合斜度上左右两侧各留1mm左右的加工余量，中型芯其他部位按阀体外形、保证阀体最小壁厚要求进行无机加工设计；c横芯按除第a点外，为了减少变形阻力，还需留在挤压终了位置与中型芯密封面位置之间一定的余量，头部采用大圆角，抽芯较长时采用多节形式也是一个很既减少变形阻力，又可最大限度减少加工余量的有效方式；同时抽芯位置设计一定的拔模斜度，一般在3o左右，过渡位置以采用圆角为宜。 ③段料尺寸的选择：按毛坯或型腔计算出段料的重量，加上飞边余量。如采用段料长度方向放置与阀体高度方向一致的（钟罩模宜采用这种放置方式），段料直径一般采用小于阀体高度方向上最小径向尺寸（俗称颈部）1mm，段料长度不得超过镶块高度。如采用段料长度方向垂直的，段料直径一般采用小于阀体通水孔方向上外形最小径向尺寸1mm，一般是如图1阀体下部的中间位置（俗称肚子），段料长度不得超过镶块长度。 六 工艺过程的注意事项 ①红冲开始前，应对模具型腔部位进行预热，温度控制在250~300℃ 左右，以减少冷模报废。 ②模具各部位之间的结合面应在设计公差范围内，保证运动时处于良好的导滑状态。 ③模具材料牌号要合理外，模块毛坯需反复镦拔，模具使用前的热处理也很重要。 ④镶块及型芯要定时打理修复，镶块的型腔按阀体外形下公差设计，修模过程中会加大型腔尺寸，同时考虑镶块间的飞边。 ⑤型芯的刚度保证，特别是中型芯，一旦变形，轻则需加大机加工余量，重则造成毛坯报废。 ⑥一定模数生产后需及时对型腔部位喷刷脱模机，保证毛坯顺利脱模。 参考文献 [1]田荣璋，王祝堂.铜合金及其加工手册[M].长沙：中南大学出版社，2002. [2]中国机械工程学会塑性工程学会.锻压手册[M].北京：机械工业出版社，2007. [3]党根茂，骆志斌，李集仁.模具设计与制造[M].西安：西安科技大学出版社，2007. [4]姜国权.红冲工艺与模具设计[M].北京：机械工业出版社，2005. 本文来源：https://www.dywdw.cn/6d515edc25d3240c844769eae009581b6bd9bd8f.html
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2023-01-20
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