三刃型釬頭殼體溫?cái)D壓精密成形工藝研究

王東風(fēng) ，王 偉 ，馬 進(jìn)

（1.燕大恒遠(yuǎn)高技術(shù)有限公司，河北 秦皇島 066006；2.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004）

三刃型釬頭是在一字型釬頭的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，已經(jīng)成為一種廣泛應(yīng)用于軟巖鑿進(jìn)和高爐開口。相比一字或十字型釬頭，三刃型釬頭具有獨(dú)特的優(yōu)勢。三刃型釬頭比一字型釬頭具有更強(qiáng)的徑向耐磨蝕能力，還克服了十字型釬頭排巖屑間隙小、硬質(zhì)合金用量大的缺點(diǎn)[1]。 圖1 所示為三刃與十字型釬頭殼體的對比。

圖1 三刃與十字型釬頭殼體對比

溫?cái)D壓成形技術(shù)是近年來在冷塑性成形基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一種塑性成形方法。兼具有熱成形和冷成形的特點(diǎn)，是一種少無切削加工工藝[2]。一字型釬頭的溫?cái)D壓成形技術(shù)已經(jīng)十分成熟，秦皇島燕大恒遠(yuǎn)高技術(shù)有限公司采用溫?cái)D壓成形工藝，實(shí)現(xiàn)了一字型釬頭殼體的精密塑性加工，產(chǎn)品達(dá)到國際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白[3]。

三刃型釬頭截面形狀復(fù)雜，軸向投影面積大，導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成形設(shè)備噸位高等問題。尤其是三刃型釬頭為非軸對稱件，只能采用垂直合模，這就要求對脹模力進(jìn)行合理的控制以實(shí)現(xiàn)溫?cái)D壓成形。本文針對三刃型釬頭的特點(diǎn)，開發(fā)了一種溫?cái)D壓成形工藝，解決了三刃型釬頭殼體精密塑性成形的關(guān)鍵問題。

1 三刃釬頭殼體溫?cái)D壓成形工藝分析

傳統(tǒng)的三刃型等復(fù)雜形狀的釬頭生產(chǎn)方式是鍛造后進(jìn)行機(jī)加工或者直接采用鑄造成形，這兩種加工方法都存在金屬流線被破壞、晶粒度較低、產(chǎn)品綜合機(jī)械性能差、材料利用率低、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。

通過溫?cái)D壓成形工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸精度、 表面質(zhì)量接近于冷擠壓零件，又可以有效減少高溫成形時(shí)氧化和脫碳的影響，并且溫?cái)D壓具有細(xì)化晶粒的效果，所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有良好的機(jī)械性能。

1.1 成形工藝方案

三刃型釬頭是在溫?cái)D壓成形的釬頭殼體的基礎(chǔ)上精車外圓、 銑合金片槽、鉆中心水孔和側(cè)水孔、焊接合金片、熱處理、 表面處理等工序后加工得到的，所以溫?cái)D壓成形的釬頭殼體要滿足后續(xù)加工的要求。如圖2 所示為本公司設(shè)計(jì)的一種釬頭殼體的形狀尺寸。

根據(jù)三刃型釬頭殼體結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)可知，溫?cái)D壓成形的重點(diǎn)是內(nèi)部錐孔和殼體頭部的成形。 所以，可采用敦?cái)D工藝，反擠錐孔的同時(shí)鐓擠出頭部三刃結(jié)構(gòu)。

1.2 毛坯形狀及尺寸

三刃型釬頭的外形尺寸見圖2。選用φ42圓棒料，根據(jù)金屬塑性變形體積不變原理[4]，確定坯料長度為82 mm。毛坯形狀尺寸如圖3 所示。

通過后續(xù)的有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 證明圓棒料完全滿足成形需要，這就大大簡化了下料、制坯的工序，并且有效節(jié)省了材料，提高了產(chǎn)品材料利用率。

2 三刃釬頭殼體溫?cái)D壓成形數(shù)值模擬

通過對釬頭殼體結(jié)構(gòu)分析，要解決溫成形后取件的問題凹模應(yīng)設(shè)計(jì)為上、下兩個(gè)半模，即垂直合模結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

采用這種模具結(jié)構(gòu)，成形時(shí)首先要使上、下凹模合模，并且保證成形過程中始終壓緊。這就要求不僅對成形力而且要對脹模力進(jìn)行合理控制。

2.1 有限元模型

圖4 溫?cái)D壓示意圖

根據(jù)產(chǎn)品要求和生產(chǎn)條件，建立有限元模型。 參數(shù)如下：材料40Cr；溫?cái)D壓溫度900 ℃； 模具預(yù)熱溫度200 ℃；壓制速度50 mm/s；摩擦系數(shù)0.25。模擬軟件選用DEFORM-3D。

2.2 有限元模擬結(jié)果

通過DEFORM-3D 后處理功能對成形效果、成形力、脹模力等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 其成形效果如圖5 所示。

圖5 有限元模擬結(jié)果

圖 5 中，(a)為主視圖；(b)為殼體頭部成形效果；(c) 為底部錐孔成形效果；(d)為接觸點(diǎn)云。 通過接觸點(diǎn)云可知，有限元模擬的成形效果是比較理想的。

圖6 所示為有限元模擬溫?cái)D壓過程的力-行程曲線。 初始階段成形力和脹模力逐漸增大， 凸模壓制至62 mm處時(shí)，成形力和脹模力均有小幅的跳動(dòng)而后回升，成形接近終了時(shí)成形力急劇增加。 其中，最大成形力為1280 kN，最大脹模力為266 kN。

結(jié)合成形過程分析力-行程曲線。擠壓過程前期底部錐孔的反擠成形占主導(dǎo)地位， 當(dāng)凸模壓制行程至62 mm處時(shí)，底部錐孔的成形完成，凸模與坯料完全接觸的瞬間成形力和脹模力發(fā)生小幅跳動(dòng)。此后主要是釬頭殼體頭部的成形， 此階段初期金屬易于流入空腔， 所以成形力和脹模力有少許降低。隨著模腔的填充，力逐漸升高，接近成形終了時(shí)成形力急劇上升。

3 三刃釬頭殼體溫?cái)D壓成形實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為315 t 通用液壓機(jī)，頂出缸頂出力為400 kN， 拉緊力為200 kN。

根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，最大成形力為1280 kN，315 t 通用液壓機(jī)滿足要求。 但是最大脹模力為266 kN，而且考慮到有限元模擬與實(shí)際情況的偏差，脹模力有可能更大，這樣若想用頂出缸回程的拉緊力來克服脹模力就需要對壓力機(jī)進(jìn)行改裝。本實(shí)驗(yàn)不僅要有合理的模具設(shè)計(jì)而且要對315 t 通用液壓機(jī)進(jìn)行改裝。

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D7 所示。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過頂出桿提供拉緊力，將上、下凹模緊固。合模后，將加熱好的坯料放入模腔，凸模在液壓機(jī)作用下壓制出工件。成形結(jié)束后，凸模回程，頂出桿頂出，將上、下凹模分離，即可取出工件。 這種模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配、可靠性高、動(dòng)作簡單、生產(chǎn)效率高。

圖7 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?/p>

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備改裝

試驗(yàn)所用設(shè)備頂出缸的頂出力最大可達(dá)400 kN， 所以可以將頂出缸反裝，這樣就可以提供足夠大的合模力。但是，根據(jù)液壓機(jī)液壓工作原理可知，當(dāng)主缸工作時(shí)，頂出缸會發(fā)生漏油，不能滿足壓制過程中持續(xù)保壓[5]。 所以要在頂出缸油路加裝蓄能器以保持液體容積，實(shí)現(xiàn)持續(xù)保壓[6]。圖8 所示為315 t 液壓機(jī)液壓原理圖， 圖9 所示為頂出缸反裝并加裝蓄能器后的液壓原理圖。

圖10 所示為溫?cái)D壓實(shí)驗(yàn)所得工件，殼體頭部和底部錐孔成形效果良好。

4 結(jié)論

本文針對三刃釬頭殼體的形狀特點(diǎn)提出了一種溫?cái)D壓成形工藝，可實(shí)現(xiàn)此類零件的精密塑性成形，并得到如下結(jié)論：

（1）使用溫?cái)D壓成形工藝可實(shí)現(xiàn)較小成形力下三刃釬頭殼體的精密塑性成形。

（2）實(shí)驗(yàn)證明通過合理的模具設(shè)計(jì)和對315 t 通用液壓機(jī)的改裝， 完全可提供足夠的合模力，并且實(shí)驗(yàn)證明此工藝生產(chǎn)的工件成形效果良好，并且具有生產(chǎn)效率高，材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。 該技術(shù)已經(jīng)在燕大恒遠(yuǎn)高技術(shù)有限公司獲得應(yīng)用。

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