1340大型刮煤板鑄鍛復合塑性成形工藝研究

李志廣 翟 海 吳永興

(1.山西柴油機工業(yè)有限責任公司，山西037036；2.裝甲兵駐山西柴油機工業(yè)有限責任公司軍事代表室，山西037036)

1340大型刮煤板(如圖1所示)是從德國引進的某礦用大型采煤輸送機傳遞運動和動力的關(guān)鍵件和易損件，其進口價格昂貴。在其國產(chǎn)化生產(chǎn)中，國內(nèi)為數(shù)不多的大型刮煤板鍛造生產(chǎn)廠家都難以降低其制造成本。我廠在多年開發(fā)采煤輸送機E型螺栓、連接環(huán)、鏈輪和中小型刮煤板鑄鍛件的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了1340大型刮煤板鑄鍛復合塑性成形工藝，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[1～3]。

1 鑄鍛復合塑性成形工藝步驟

1340大型刮煤板的鑄鍛工藝過程為：坯料熔煉(在電感應(yīng)爐中熔化)→鑄造(砂型鑄造或金屬型鑄造)→鑄鋼坯加熱→模鍛→切邊→熱處理。

2 鑄鍛坯料形狀、尺寸和質(zhì)量控制原則

1340大型刮煤板鑄鍛坯料形狀、尺寸(如圖2所示)控制至關(guān)重要。鑄鍛坯料形狀、尺寸和質(zhì)量控制的目的不僅是為了獲得零件整體所需的形狀與尺寸，更重要的是通過模鍛使其關(guān)鍵部位達到一定的鍛造比，消除鑄件的鑄態(tài)組織、破碎并改善碳化物及非金屬夾雜物在鋼中的分布、形成纖維組織、焊合內(nèi)部孔隙而均勻提高關(guān)鍵部位的金屬密度和力學性能，同時也可有效地節(jié)約鍛造變形能，實現(xiàn)小錘干大活。

圖1 1340大型刮煤板鍛件毛坯圖Figure 1 The model drawing of 1340 large coal-scraping plate steel forgings

圖2 1340大型刮煤板鑄鋼件毛坯圖Figure 2 The model drawing of 1340 large coal-scraping plate steel castings

1340大型刮煤板鑄鍛坯料形狀、尺寸和質(zhì)量控制的要點如下：

(1)對1340大型刮煤板零件的受力情況、重要程度、工作條件、結(jié)構(gòu)尺寸和失效型式進行全面分析可知，1340大型刮煤板主要是在承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切和沖擊振動條件下工作，失效型式以A-A和B-B處斷裂和變形損壞為多[4～6]。找出零件最薄弱最易失效的關(guān)鍵部位(關(guān)鍵部位決定了零件的整體使用壽命)，并對其進行重點控制，可有效提高大型刮煤板零件整體質(zhì)量和可靠性。

(2)鑄鋼35CrMnSi的化學成分應(yīng)符合國家標準要求，鑄造坯料化學成分的準確性對鑄鍛件的力學性能會產(chǎn)生有利的影響；對鑄坯內(nèi)部氣孔、縮孔、縮松和偏析等鑄造組織缺陷進行質(zhì)量控制，以減小對鑄鍛件力學性能的不利影響；鑄鋼件的冷縮率不同于傳統(tǒng)原材料型材或軋材的冷縮率，對鑄鋼件的冷縮率確定，可有利于保證鑄鍛復合塑性成形鑄鍛件的形狀、尺寸和質(zhì)量。

(3)保證鑄鍛坯料不同部位具有不同的鍛造比至關(guān)重要(鍛造比大小和模鍛過程可從圖3所示的坐標網(wǎng)格變形圖反映出來)。鑄鍛件不同部位鍛造比確定原則是：微小變形或不變形部分基本無鍛造比，變形大的部分要比變形小的部分鍛造比大，關(guān)鍵部位的鍛造比要比非關(guān)鍵部位的鍛造比大。與鍛造比相對應(yīng)的鑄坯形狀與尺寸確定原則是：鑄坯兩端的形狀和尺寸與鍛件的形狀和尺寸完全相同或極微小不同(模鍛時不變形或極微小變形)，鑄坯中心部分的形狀和尺寸與鍛件的形狀和尺寸相似(模鍛時大變形，以鐓粗式模鍛成形為主)，鑄坯兩端與中心部分過渡部分的形狀和尺寸與鍛件的形狀和尺寸相近(模鍛時變形量介于以上兩者之間，以鐓粗式模鍛成形為主)。

事實上，1340大型刮煤板鑄鍛復合塑性成形工藝所獲得的鑄鍛件的基本概念是：大型刮煤板零件兩端在工作服役時的受力最小、力學性能要求最低，模鍛變形時無變形無鍛造比。零件兩端相當于鋼廠未經(jīng)過壓力加工的鑄坯，是傳統(tǒng)意義上的鑄鋼件；零件中間部分在工作服役時的受力最大、力學性能要求最高，模鍛變形時變形大鍛造比大。零件中間部分相當于原材料軋材或型材又一次經(jīng)過了壓力加工，是傳統(tǒng)意義上的模鍛件；零件兩端與中間過渡處在工作服役時的受力和力學性能要求介于兩端與中間之間，模鍛變形時的變形程度和鍛造比也介于上述兩者之間。零件兩端與中間過渡處相當于鋼廠經(jīng)過壓力加工的原材料軋材或型材，是介于傳統(tǒng)鑄鋼件和傳統(tǒng)模鍛件之間的鑄鍛件。1340大型刮煤板中間部分的使用性能決定了其整體零件的使用性能。通過基礎(chǔ)理論研究、力學性能試驗研究和裝機實踐都可以證明：鑄鍛復合塑性成形工藝只要保證鑄鍛件中間部分的形狀、尺寸和質(zhì)量，即可達到1340大型刮煤板零件與傳統(tǒng)模鍛相同或相近的質(zhì)量和力學性能。

3 鑄鍛復合塑性成形鍛模設(shè)計

1340大型刮煤板鑄鍛復合塑性成形的鍛模圖如圖4所示，鍛模設(shè)計的要點如下：

(1)鍛模整體結(jié)構(gòu)設(shè)計為平衡式導向鎖扣，1個縱向排列的終鍛模膛和1個校正結(jié)構(gòu)。鍛模結(jié)構(gòu)緊湊，強度足夠，制造成本低，操作簡單，鍛造效率高，使用壽命高。其模鍛的工作過程為：先將加熱合理的鑄造坯料在終鍛模膛內(nèi)直接終鍛，在切邊以后加墊塊再將鍛件校正。

圖3 1340大型刮煤板鑄鍛坐標網(wǎng)格變形圖Figure 3 The coordinate grid chart for casting and forging hot forming of 1340 large coal-scraping plate

(2)優(yōu)化鍛模熱鍛件圖設(shè)計。在鍛件厚度方向不加收縮率，而且在冷鍛件圖厚度方向上降低3 mm并采用過壓補償法，其它尺寸按傳統(tǒng)獨立設(shè)計，以防止鍛造不足。這樣的設(shè)計可有效減少鍛造打擊次數(shù)。為子定位準確和操作方便，將鍛件較復雜部分置于上模，模膛充填成形效果好，操作簡單。

圖4 1340大型刮煤板鑄鍛復合塑性成形鍛模圖Figure 4 The forging die drawing for composite casting and forging hot forming of 1340 large coal-scraping plate

(3)終鍛模膛縱向排列，鑄鍛件飛邊以外長度方向的形狀與尺寸與鍛件基本相同，即不參與成形，此部分為原鑄件的形狀、尺寸與性質(zhì)。鑄鍛件飛邊以內(nèi)長度方向的形狀和尺寸是重點模鍛部分，直接影響零件整體的質(zhì)量、可靠性和使用壽命。

(4)鍛模終鍛模膛，保證成形部分以鐓粗式成形為主壓入式成形為輔，保證鑄鍛件成形具有順序成形模鍛法的特點[7～8]。在模鍛過程中，以成形最難成形的部分為主，以成形相對容易的部分為輔，難變形區(qū)小，小飛邊模鍛，變形量小但鍛造比足夠，可有效減小鍛造變形能量，有利于模膛充填成形。傳統(tǒng)模鍛需100 kN～160 kN模鍛錘或100 MN～160 MN電動螺旋壓力機成形，現(xiàn)只需30 kN或50 kN模鍛錘模鍛成形，可實現(xiàn)小錘干大活。

(5)由于鑄鍛件受溫度影響的熱脹冷縮程度過大，校正工序不適宜在傳統(tǒng)的終鍛模膛內(nèi)進行，而是在鍛模左側(cè)平臺上校正(熱鑄鍛件上部中間加墊塊，保證鑄鍛件校正部分上下面保持平行)。該平臺既有保證鍛模強度的作用，又有校正的作用。

4 結(jié)論

(1)1340大型刮煤板復合塑性成形工藝既充分發(fā)揮了鑄造和鍛造的特有優(yōu)勢，又有效克服了鑄造和鍛造固有缺點。

(2)1340大型刮煤板鑄鍛復合塑性成形工藝獲得的鑄鍛件質(zhì)量和使用壽命與傳統(tǒng)模鍛件的質(zhì)量和使用壽命相同或相近。

(3)1340大型刮煤板鍛造變形能量小。傳統(tǒng)模鍛需100 kN～160 kN模鍛錘或100 MN～160 MN電動螺旋壓力機成形，現(xiàn)只需30 kN～50 kN模鍛錘模鍛成形，可實現(xiàn)小錘干大活。

(4)1340大型刮煤板鍛模結(jié)構(gòu)新穎、簡單緊湊并且強度足夠，鍛模模膛數(shù)量少，制造成本低，操作簡單，鍛造效率高，使用壽命高。

(5)1340大型刮煤板鑄鍛復合塑性成形工藝開發(fā)、研制與國產(chǎn)化生產(chǎn)的成功，標志著我廠具備了生產(chǎn)大型刮煤板的能力，打破了多年依賴國外進口的被動局面。

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