支重輪精鍛工藝研究及模具設(shè)計(jì)

文／張新東，張開(kāi)舉·山推工程機(jī)械股份有限公司履帶底盤(pán)事業(yè)部

支重輪精鍛工藝研究及模具設(shè)計(jì)

文／張新東，張開(kāi)舉·山推工程機(jī)械股份有限公司履帶底盤(pán)事業(yè)部

支重輪作為挖掘機(jī)與推土機(jī)底盤(pán)件四輪一帶中的一輪，其主要作用是支撐挖掘機(jī)與推土機(jī)整機(jī)重量，讓履帶軌面沿著輪子前進(jìn)。目前該鍛件年市場(chǎng)需求量大，約200萬(wàn)件左右，屬于底盤(pán)件中的易損件。因其工作時(shí)受力較大，故需具備較高的綜合機(jī)械性能，其毛坯需要采用鍛造成形。如圖1所示，每個(gè)支重輪由左、右兩個(gè)半輪鍛件焊合而成。根據(jù)其工作時(shí)的使用狀況，外表面和兩端面鍛造后允許不加工，只在內(nèi)孔進(jìn)行后續(xù)機(jī)械加工即可。

圖1 支重輪

該支重輪鍛件的傳統(tǒng)鍛造工藝方法為：使用空氣錘鐓粗壓扁，再在摩擦壓力機(jī)上終鍛成形(有的品種需要進(jìn)行兩次打擊），所得到的鍛造毛坯精度低、表面質(zhì)量差，因此輪體鍛件的內(nèi)、外表面需保留很大的加工余量，并在后續(xù)機(jī)加工時(shí)車(chē)削掉，材料利用率低，且車(chē)削加工工時(shí)多，不符合目前節(jié)能降耗、可持續(xù)發(fā)展的工業(yè)發(fā)展要求。鑒于此，本文提出了采用支重輪精鍛工藝代替普通鍛造工藝，以提高支重輪鍛造毛坯的精度，減少后續(xù)機(jī)加工工時(shí)，提高材料的綜合利用率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，以此達(dá)到降本增效的目的。

支重輪精鍛工藝介紹

支重輪材料為40Mn2，是一種中碳合金鋼，該零件的形狀特點(diǎn)是：高輪轂且存在深孔與凸緣，零件外形直徑落差大，壁厚較薄，金屬流動(dòng)較為困難。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備特點(diǎn)，決定采用開(kāi)式精密熱模鍛成形方法，以降低變形抗力。根據(jù)支重輪結(jié)構(gòu)形狀及精鍛工藝特點(diǎn)，確定輪體的外表面直接精鍛成形而不再留加工余量，只在內(nèi)孔部位留少許加工余量，從而使材料利用率和生產(chǎn)效率得到顯著提高。

采用的鍛造生產(chǎn)線是德國(guó)米勒·萬(wàn)家頓的PSH4450型全自動(dòng)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)鍛造線(圖2），該生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化操作，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，主要工藝流程介紹如下：

⑴棒料上料。原材料使用自動(dòng)上料機(jī)進(jìn)行上料，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

⑵棒料中頻感應(yīng)加熱(圖3）。加熱溫度控制在(1200±30）℃，爐口安裝有紅外線測(cè)溫裝置和溫度三分選機(jī)構(gòu)。

圖2 PSH4450型全自動(dòng)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)鍛造線

圖3 中頻感應(yīng)加熱

⑶PSH4450型電動(dòng)螺旋壓力機(jī)鍛造。在壓力機(jī)上布置3個(gè)工步成形，即鐓粗、預(yù)鍛、終鍛。棒料鐓粗工序主要是去除棒料表面氧化皮，鐓粗至合適的高度并在預(yù)鍛型腔中能夠準(zhǔn)確定位。輪體精鍛工藝中預(yù)鍛型腔的設(shè)計(jì)非常重要，其主要作用是實(shí)現(xiàn)輪體預(yù)成形，承擔(dān)了60%左右的變形量，減少了終鍛型腔的磨損，顯著提高了終鍛模具的使用壽命。終鍛模起最終成形的作用，在踏面處型腔拔模斜度設(shè)計(jì)為1°，在模具上需要有上、下頂料機(jī)構(gòu)以保證順利脫模，終鍛過(guò)程如圖4所示。因鍛造工作環(huán)境惡劣，采用機(jī)器人自動(dòng)噴霧潤(rùn)滑冷卻。

圖4 終鍛成形

⑷400t曲柄壓力機(jī)切邊、沖孔。使用復(fù)合模具一次性完成切邊、沖孔(圖5），上模卸料采用碟形彈簧，下頂料采用液壓式，便于機(jī)器人準(zhǔn)確抓取鍛件。這大大提高了生產(chǎn)效率，減少了設(shè)備和模具及操作人員的數(shù)量，降低了生產(chǎn)成本，鍛件的質(zhì)量也能得到保證。

圖5 切邊、沖孔

支重輪精鍛模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)支重輪的鍛造模具存在以下弊端：⑴終鍛模具使用壽命低，鍛造支重輪1000～2000件后，模具老化嚴(yán)重，鍛件表面質(zhì)量低，需更換模具。⑵老化后的模具進(jìn)行堆焊修復(fù)后翻新使用，需消耗大量焊材，焊接工藝復(fù)雜，模塊在爐加熱時(shí)間約40h，且堆焊后的模具加工困難，模具成本大幅增加。因此在支重輪精鍛模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，迫切需要解決這些弊端，以達(dá)到降低模具成本及能耗、提高模具壽命的目標(biāo)。

如圖6所示為支重輪精鍛模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，模具材料選用H13，此種材料具有良好的韌性、強(qiáng)度、耐磨性和淬透性，在室溫和500～600℃時(shí)的力學(xué)性能幾乎相同，適合制造各種形狀復(fù)雜、沖擊載荷大的鍛造模具。

該輪體預(yù)鍛及終鍛模具均采用組合鑲塊式結(jié)構(gòu)。其上、下模均由型芯鑲塊和模塊本體鑲嵌構(gòu)成，上、下模固定在帶有承擊面的模座上，鍛造過(guò)程中主要依靠上、下模座的承擊面閉合來(lái)保證鍛件尺寸精度，而上、下模并不直接接觸。在生產(chǎn)過(guò)程中終鍛模具型腔內(nèi)壓力減少，從而顯著降低了模具型腔內(nèi)部的老化程度，模具壽命一般為5000～6000件，是原來(lái)的3倍。其次，組合鑲塊式模具結(jié)構(gòu)使得模具外形減小，且老化后只需直接進(jìn)行降面數(shù)控加工翻新，翻新修復(fù)過(guò)程大大簡(jiǎn)化，相比于傳統(tǒng)模具的堆焊修復(fù)工藝來(lái)說(shuō)，耗時(shí)短、加工簡(jiǎn)單，且無(wú)需氣刨、保溫、堆焊、回火等工藝。

圖6 組合鑲塊式支重輪精鍛模具

在上、下鑲塊中心均設(shè)置頂桿，與鑲塊間采用間隙配合，通過(guò)壓力機(jī)打桿限位，使壓力機(jī)滑塊在回程時(shí)將鍛件頂出型腔。

支重輪精鍛生產(chǎn)節(jié)材效果介紹

采用支重輪精鍛工藝后，因鍛件尺寸精度和表面質(zhì)量均能滿足產(chǎn)品使用要求，故鍛件的外表面和部分內(nèi)孔可直接鍛造成形而不再進(jìn)行機(jī)械加工。經(jīng)機(jī)械加工后的精鍛支重輪如圖7所示。

圖7 經(jīng)機(jī)械加工后的精鍛支重輪

以一種批量較大的20t級(jí)挖掘機(jī)用支重輪鍛件為例，鍛造工藝改進(jìn)前后的棒料下料尺寸、重量和材料綜合利用率的對(duì)比見(jiàn)表1。

■ 表1 鍛造工藝改進(jìn)前后的對(duì)比情況

由表1可知，與普通鍛造工藝時(shí)的下料重量相比，精鍛工藝每件可節(jié)約原材料1.9kg，材料綜合利用率由原來(lái)的71%提高到81%。同時(shí)，因大部分工件的表面不再車(chē)削，后續(xù)車(chē)削機(jī)加工工時(shí)節(jié)約了60%。

經(jīng)過(guò)多次的試鍛試驗(yàn)、跟蹤及不斷改進(jìn)，目前該支重輪的精鍛技術(shù)已經(jīng)成熟穩(wěn)定，生產(chǎn)的鍛件經(jīng)過(guò)后續(xù)工序加工、檢驗(yàn)及探傷，其機(jī)械性能及金相組織均符合技術(shù)要求。目前該精鍛輪體已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn)及供貨。

結(jié)束語(yǔ)

⑴實(shí)踐證明，支重輪精鍛工藝方案相比于傳統(tǒng)鍛造工藝，在大大提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，保證了鍛件表面質(zhì)量，減少了后續(xù)機(jī)加工工時(shí)，達(dá)到了降本增效的目的。

⑵組合鑲塊式精鍛模具結(jié)構(gòu)解決了現(xiàn)有支重輪模具壽命低、翻新困難等難題，提高了模具的生產(chǎn)效率，降低了模具的制作成本。

⑶該輪體精鍛模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝方案為其他輪體等類(lèi)似鍛件在鍛造工藝改進(jìn)方面提供了相關(guān)的實(shí)踐參考。

⑷全自動(dòng)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)鍛造生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化操作，生產(chǎn)效率高且質(zhì)量穩(wěn)定，代表了行業(yè)內(nèi)今后的發(fā)展方向，具有借鑒價(jià)值。

公 示

根據(jù)《新聞?dòng)浾咦C管理辦法》及新聞出版總署《關(guān)于開(kāi)展新聞?dòng)浾咦C2013年度核驗(yàn)工作的通知》的相關(guān)要求，《鍛造與沖壓》雜志對(duì)2013年12月31日前已申領(lǐng)新聞?dòng)浾咦C人員的資格進(jìn)行了嚴(yán)格審核，現(xiàn)將通過(guò)年度核驗(yàn)的人員名單進(jìn)行公示，以接受社會(huì)監(jiān)督。新聞出版總署舉報(bào)電話：010-83138953。

已通過(guò)本單位年度核驗(yàn)人員名單：王曉燕。

張新東，黨委書(shū)記、副總經(jīng)理，具有三十多年鍛造工藝設(shè)計(jì)、自動(dòng)化熱模鍛設(shè)備技術(shù)和維修管理的經(jīng)驗(yàn)，主持完成了多個(gè)鍛件新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)線設(shè)備大修及改造項(xiàng)目，其中4000t熱模鍛壓力機(jī)的大修、搬遷、調(diào)試項(xiàng)目獲得山推工程機(jī)械股份有限公司科技成果一等獎(jiǎng)。