支重輪半體模鍛工藝研究

姬連凱

（中國南車石家莊車輛有限公司 工程機(jī)械事業(yè)部，河北 石家莊 050080）

1 零件分析

支重輪是履帶式挖掘機(jī)的重要配件，其作用是將挖掘機(jī)重量傳給地面，承受載荷大；經(jīng)常處于塵土中，有時(shí)還浸泡在泥水中，工作條件惡劣。支重輪體是由兩個(gè)鍛造半體組焊而成，可以獲得卓越的內(nèi)部材質(zhì)纖維流分布結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為45Mn，其原有工藝是在2t電液錘上進(jìn)行胎模鍛生產(chǎn)，工人的勞動強(qiáng)度很大。隨著生產(chǎn)批量的加大，原有工藝方案已不能滿足生產(chǎn)需要。為此，決定采用模鍛工藝進(jìn)行生產(chǎn)，其工藝流程為：帶鋸床鋸切下料—空氣錘預(yù)鍛—摩擦壓力機(jī)終鍛—曲柄壓力機(jī)落飛邊—沖床沖孔，圖1為某種履帶式挖掘機(jī)支重輪半體熱鍛件圖。

圖1 熱鍛件圖

該零件屬于帶法蘭及具透孔的典型回轉(zhuǎn)體鍛件，鍛件的預(yù)鍛只是簡單鐓粗即可，無需制造專門的預(yù)鍛模塊。為保證鍛件質(zhì)量及確保模鍛件能從模膛中取出，分模面選在最大外徑的中間截面處；為保證金屬容易充滿型腔，形狀復(fù)雜的一端放到上模。

2 數(shù)值模擬分析

隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。利用有限元模擬技術(shù)不僅能節(jié)省大量資金，縮短工藝和模具設(shè)計(jì)周期，還可通過模擬結(jié)果對模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)值模擬的幾何模型由UG三維繪圖軟件完成，輸出STL格式文件，然后由體積成形軟件Deform-3D讀取。因支重輪半體是軸對稱零件，取工件的1/4進(jìn)行分析。

2.1 有限元模型的參數(shù)選取[1]

圖2 有限元模型

為提高模型的精度，減少二次造型引起的誤差，終鍛毛坯的幾何模型直接由預(yù)鍛鐓粗后的模擬結(jié)果導(dǎo)入，數(shù)值模擬的有限元模型見圖2。坯料為塑性體，材料為AISI-1043（45Mn），上模與下模定義為剛體，不考慮其變形，模具作為幾何邊界對工件進(jìn)行約束，考慮到熱力耦合，對模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，材料為AISIH13；坯料初始溫度為1200℃，下模及上模預(yù)熱溫度為300℃，坯料和模具接觸過程中設(shè)置熱傳遞；網(wǎng)格劃分采用默認(rèn)四面體單元，坯料劃分50000網(wǎng)格，模具劃分為70000網(wǎng)格；上模壓下速度為100mm/s[2]，增量計(jì)算時(shí)總的行程為58mm，每次增量取為0.5mm。

2.2 有限元模擬結(jié)果分析

圖3為整個(gè)行程中坯料的變形情況[3]。第一階段鐓粗變形階段，隨著上模的進(jìn)一步下壓，坯料和模具接觸面積逐漸增加，此時(shí)坯料受到上下內(nèi)孔凸臺擠壓開始向四周運(yùn)動（圖3b）；第二階段為出飛邊階段，上模繼續(xù)壓下，飛邊逐步形成，金屬向外流動阻力加大，開始填充模膛（圖3c）；第三階段為充滿模膛階段，隨著上下模逐步打靠，飛邊處金屬流動急劇增大，金屬向難以成形處流動，從而最終充滿模膛（圖3d）。從模擬的結(jié)果可以看出，在成形過程中變形較為均勻，對于圓角及較深型腔部位均沒有發(fā)生折疊和充不滿等缺陷。

圖3 坯料的變形情況

圖4為模鍛成形變形抗力圖[4]。對抗力圖分析可以看出變形過程分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段從開始到行程15mm，為初始變形階段（圖3a、b），模具接觸坯料表面，坯料發(fā)生少量的塑性變形，變形抗力平緩上升，載荷較??；出飛邊為第二階段，行程從47mm到94mm（圖3b、c），載荷有一個(gè)小的突變，一直上升到5800kN。該階段已出現(xiàn)少量飛邊，變形抗力增大，坯料開始填充型腔；第三階段是最終充滿模膛階段（圖3c、d），此時(shí)已形成較大的飛邊，變形急劇上升，直至最終打靠。如圖3d所示，行程終了的載荷為13500kN。

圖4 模鍛成形變形抗力圖

3 工藝方案

3.1 模鍛設(shè)備的選擇

考慮到鍛造工藝條件及產(chǎn)品批量，采用具有下頂出裝置的摩擦壓力機(jī)作為鍛造設(shè)備。摩擦壓力機(jī)模鍛噸位公式[5]為：

式中：P——摩擦壓力機(jī)的公稱壓力，N；

α——與鍛模形式有關(guān)的系數(shù)，對于開式鍛模α=4；對于閉式鍛模 α=5；

F——鍛件在平面圖上的投影面積（開式模鍛時(shí)包括飛邊橋部面積），mm2；

V——鍛件體積，mm3；

σs——終鍛時(shí)，金屬的流動極限，N/mm2。

F=42252mm2；V=1460100mm3；σs=29MPa（1200℃時(shí)對應(yīng)的金屬的流動極限）。將上數(shù)值代入式（1）得到支重輪半體的模鍛噸位為12718kN，選用1600t摩擦壓力機(jī)。該計(jì)算噸位與數(shù)值模擬的結(jié)果相差5.8%，比較吻合。

3.2 模具設(shè)計(jì)

終鍛模膛按熱鍛件圖制造。取熱鍛件冷卻時(shí)的收縮率為1.5%，模具圖如圖5所示。采用圓鎖扣做為導(dǎo)向裝置。因該鍛件的內(nèi)孔較深，鍛打坯料成形時(shí)沖頭所承受的力量很大且與坯料接觸的時(shí)間最長，是最易磨損變形的部位，所以將其做成活動式的鑲塊結(jié)構(gòu)，利于模具的維修加工同時(shí)降低維修成本。為使終鍛毛坯留在下模內(nèi)，將上模的拔模斜度設(shè)計(jì)為5°，下模的拔模斜度設(shè)計(jì)為1°。下沖頭與頂料桿連接，終鍛完成后，將終鍛毛坯從下模內(nèi)頂出。

圖5 終鍛模具圖

4 工藝驗(yàn)證

模具采用壓塊壓緊，因上下模有圓鎖扣作為導(dǎo)向裝置，所以安裝調(diào)試方便。模具在使用前用加熱圈預(yù)熱到300℃左右，采用接觸式測溫儀進(jìn)行測溫。

根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果，確定坯料的尺寸為?120×184mm。采用鋸切下料，保證端面平整且無毛刺。采用中頻感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱，始鍛溫度為1250℃，目測保證。生產(chǎn)過程中，采用高壓風(fēng)吹冷上下模膛，同時(shí)吹掉氧化皮等雜物，然后采用噴霧冷卻法快速冷卻模膛，最終在上下模膛和沖頭工作表面涂抹1∶20水基石墨潤滑劑為鍛打下一件做好準(zhǔn)備。進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，對100件支重輪半體進(jìn)行尺寸和外觀質(zhì)量檢查，產(chǎn)品合格率達(dá)到100%。圖6所示為鍛件實(shí)物照片，從照片可以看出，模鍛件外形飽滿，表面光滑，輪廓清晰。

圖6 鍛件實(shí)物圖

5 結(jié)論

（1）引入有限元模擬分析，縮短了新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，有效地降低了研發(fā)成本。

（2）經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐表明，該模鍛工藝及模具結(jié)構(gòu)能夠滿足批量生產(chǎn)要求，公司已陸續(xù)開發(fā)了多個(gè)類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品新工藝，均實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

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