基于径向锻锤的髋关节柄锻件的径向锻造制坯方法

技术领域

本发明属于锻造加工技术领域，具体涉及一种基于径向锻锤的髋关节柄锻件的径向锻造制坯方法。

背景技术

锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。一般的，锻造零件的内部组织及力学性能要优于铸造零件及焊接件，因此该加工方法越来越多的被应用于各个领域。

通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。目前，人工髋关节因在结构上属于两端小中间大并且呈一定角度的结构，在锻造过程中需要将原材料制坯、弯曲、预锻、终锻，从而完成锻件的生产，而国内现主要制坯工艺为顶锻，申请号为202011145173.4，名称为“一种髋关节柄锻件制坯用顶锻模及其制坯方法”的申请文件(下称对比文件)中，公开了一种采用顶锻模于对髋关节柄铸件进行制坯的方法，顶锻采用的模具为：安装在模座上并可拆式固定连接为一体的上模和下模，上模在平锻机的作用下压在下模上并固定坯料，安装在滑块上的冲头在滑块的推动下迫使坯料镦粗，而后挤压成型，多余金属经排料定径带由出料口圆柱形导向槽排出，通过在模具上加工与顶锻成型件尺寸呈一定比例关系的圆柱形入料口、关节柄领部锥体、关节柄柄身锥体、关节柄尾部锥体、排料定径带、出料口圆柱形导向槽，从而通过顶锻加工所需的髋关节柄锻件，但采用上述顶锻制坯方法存在以下缺陷：①采用的是直径为料口圆柱直径0.9-0.95倍的冲头在滑块的推动下，给棒料端部施加轴向力后迫使坯料镦粗，而后挤压成型，由于棒料收到轴向力的击打，顶锻镦粗的过程中容易产生折叠以及在上模与下模合模线处产生毛刺等表面缺陷；②采用对比文件中的加工工艺一模只能锻一种锻件，每种锻件均需要制造与之对应的顶锻模，从而增加了锻件的加工成本，通用性差，产品的制造周期长；③由于模具上各位置处的内腔与顶锻成型件尺寸呈一定比例关系，所以锻造出来的锻件存在与终锻尺寸差异较大的弊端，增加了终锻的压缩总量，从而使得锻压次数增大，终锻时间长；④在顶锻过程中多余的金属经排料定径带由出料口圆柱形导向槽排出，材料利用率低，从而增加了锻件的材料成本；⑤传统顶锻工艺自动化困难，人工不能精确把控加热时间，只能采用传统方式加热，传统方式加热时间长、氧化严重；因此，针对上述问题，有必要进行改进。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种基于径向锻锤的髋关节柄锻件的径向锻造制坯方法，采用改进后的锤头组件对进入击打区中的棒料进行径向高频次的击打，并将棒料的旋转运动与高频次的往复击打动作复合后，极大的提高了棒料的锻造效率，径向锻造方式解决了现有技术中避免了顶锻墩粗过程产生的折叠及合模线处产生的毛刺，提高了髋关节柄锻造质量，消除了现有制坯方式与终锻匹配度不高、材料利用率低、原材料规格要求高、氧化严重以及成型过程容易产生表面缺陷的诸多问题，成品率高，提高了产品制造周期。

基于径向锻锤的髋关节柄锻件的径向锻造制坯方法，包括以下步骤：

1)下料，根据髋关节柄的体积确定所需棒料长度和直径，在下料好的棒料一端倒C5～C7的斜角；

2)将步骤1)中的棒料放入径向锻造放料台上，通过传送带及机械手使棒料进入中频炉内加热；

3)通过机械手将加热到温后的棒料放入夹爪内，由夹爪夹紧棒料；

4)夹爪带动夹紧后的棒料以其轴线为中心旋转的同时，驱动夹爪沿其轴向直线运动后带动棒料进入锤头组件之间的击打区，待棒料伸入至锻打位置后停止，此时，夹爪带动棒料继续旋转；

5)启动锻造机驱动锤头组件沿棒料的径向对棒料进行高频次的击打，使旋转的棒料沿锤头组件与棒料接触位置两侧方向发生塑性变形，直至棒料的锻打位置的尺寸符合设计尺寸后停止；

6)驱动夹爪带动棒料移动至下一个捶打位置后停止，由上述步骤4)开始重复操作，直至棒料各锻打位置锻压形成成型料坯后停止；

7)将步骤6)中的坯料放在弯曲模上进行弯曲，使折弯后的弯曲件与终锻模相匹配。

上述步骤2)中，所述棒料进入中频炉内的加热温度为920±20℃且加热时间不超过1min。

上述步骤4)中，所述夹爪带动棒料旋转的转速为45～85转/min。

上述步骤4)中，所述锤头组件包括多个锤头，所述锤头的截面形状呈外端的水平面与内端的斜面通过两侧多段倾斜面过渡连接而成，安装于所述锻造机上的多个锤头以插入其内部的棒料的轴心为中心均匀分布于棒料的外周，并通过锻造机驱动多个锤头以棒料径向往复运动后对棒料进行击打，使棒料击打处以锤头与棒料接触位置的两侧方向发生塑性变形后实现对棒料的径向锻压。

进一步地，所述锤头的数量为四个，其中的一个锤头与相邻的一个锤头以90°旋转对称，另外两个锤头与前两个锤头对称设置后由四个锥头内端的斜面围成击打区，所述击打区的最小内接圆直径为φ10mm。

上述步骤5)中，所述棒料锻压变形后的变径直径通过改变锤头组件的径向进给量进行调节。

上述步骤5)中，所述锤头组件对棒料的打击频次为1420次/min～1480 次/min。

本发明与现有技术相比的优点：

1、本技术方案采用径向锻造方法，降低了材料消耗以及规格的要求，只要原材料直径大于产品最大截面区域所需要的直径均可以满足生产，径向锻造工艺所锻造的锻件精度高，锻造范围广，可以锻打在其锻打尺寸范围内的多种直径，材料分布均匀，与终锻匹配度高，相对顶锻墩粗制坯方式的局限性可以提高10％～20％；

2、本技术方案径向锻造是由分布在棒料圆周方向的锤头对工件快速和同步锻打，一面低速旋转，一面轴向进给移动，径向锻造每次压缩量小，每分钟锻打次数高，提高了金属的塑性，锻径向锻造的锻件表面质量高；

3、本技术方案径向锻造实现自动化控制，便于实现机械化、自动化生产；

4、本技术方案径向锻造因自动化程度高，使用中频加热可以满足产品的要求，相对传统方式大大缩短了加热时间，减少了产品的氧化；

5、本技术方案锤头形状简单，且每副锤头可以锻打在其锻打尺寸范围内的多种直径的坯料，工艺装备少、简单、通用性强、制造周期短，具有较高的使用价值。

附图说明

图1为本发明棒料由夹爪夹持后进入锤头组件击打区内的主视图；

图2为本发明棒料由夹爪夹持后进入锤头组件击打区内的仰视图；

图3为本发明下料后的棒料结构示意图；

图4为本发明锻造成型后的坯料结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-4描述本发明的一种实施例，从而对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

基于径向锻锤的髋关节柄锻件的径向锻造制坯方法，包括以下步骤：

1)下料，根据髋关节柄的体积确定所需棒料长度和直径，在下料好的棒料2一端倒C5～C7的斜角；

2)将步骤1)中的棒料2放入径向锻造放料台上，通过传送带及机械手使棒料2进入中频炉内加热；具体的，所述棒料2进入中频炉内的加热温度为920±20℃且加热时间不超过1min。

3)通过机械手将加热到温后的棒料2放入夹爪1内，由夹爪1夹紧棒料 2；

4)夹爪1带动夹紧后的棒料2以其轴线为中心旋转的同时，驱动夹爪1 沿其轴向直线运动后带动棒料2进入锤头组件之间的击打区，待棒料2伸入至锻打位置后停止，此时，夹爪1带动棒料2继续旋转；具体的，所述夹爪1 带动棒料2旋转的转速为50转/min或55转/min或60转/min或65转/min 或70转/min或75转/min或80转/min均可；

具体的，所述锤头组件包括多个锤头3，所述锤头3的截面形状呈外端的水平面与内端的斜面通过两侧多段倾斜面过渡连接而成，安装于所述锻造机上的多个锤头3以插入其内部的棒料2的轴心为中心均匀分布于棒料2的外周，并通过锻造机驱动多个锤头3以棒料2径向往复运动后对棒料2进行击打，使棒料2击打处以锤头3与棒料2接触位置的两侧方向发生塑性变形后实现对棒料2的径向锻压；如图2所示，所述锤头3的数量为四个，其中的一个锤头3与相邻的一个锤头3以90°旋转对称，另外两个锤头3与前两个锤头3对称设置后由四个锥头3内端的斜面围成击打区，所述击打区的最小内接圆直径为φ10mm，也就是说，采用本结构的锤头3对棒料2进行径向锻造，可锻造坯料4中尺寸最小处的直径为φ10mm的铸件，相对顶锻，锻造范围大；上述结构中，将锤头3内端面设计为斜面结构，有利于在每次击打棒料2后，使棒料2沿与锤头3击打位置的两侧方向发生塑性变形，有效的消除了顶锻墩粗过程产生的折叠问题，而且提高了材料的利用率，降低材料的消耗，锤头3形状简单，且每副锤头3可以锻打在其锻打尺寸范围内的多种直径的坯料4，工艺装备少、简单、通用性强、制造周期短，具有较高的使用价值。

5)启动锻造机驱动锤头组件沿棒料2的径向对棒料2进行高频次的击打，使旋转的棒料2沿锤头组件与棒料2接触位置两侧方向发生塑性变形，直至棒料2的锻打位置的尺寸符合设计尺寸后停止；具体的，所述棒料2锻压变形后的变径直径通过改变锤头组件的径向进给量进行调节；具体的，所述锤头组件对棒料2的打击频次为1450次/min。

6)驱动夹爪1带动棒料2移动至下一个捶打位置后停止，由上述步骤4) 开始重复操作，直至棒料2各锻打位置锻压形成成型料坯4后停止；

7)将步骤6)中的坯料4放在弯曲模上进行弯曲，使折弯后的弯曲件与终锻模相匹配。

本技术方案采用径向锻造方法，降低了材料消耗以及规格的要求，只要原材料直径大于产品最大截面区域所需要的直径均可以满足生产，径向锻造工艺所锻造的锻件精度高，锻造范围广，可以锻打在其锻打尺寸范围内的多种直径，材料分布均匀，与终锻匹配度高，相对顶锻墩粗制坯方式的局限性可以提高10％～20％；径向锻造是由分布在棒料圆周方向的锤头对工件快速和同步锻打，一面低速旋转，一面轴向进给移动，径向锻造每次压缩量小，每分钟锻打次数高，提高了金属的塑性，锻径向锻造的锻件表面质量高；径向锻造实现自动化控制，便于实现机械化、自动化生产；径向锻造因自动化程度高，使用中频加热可以满足产品的要求，相对传统方式大大缩短了加热时间，减少了产品的氧化；

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。