花瓣形截齒的冷鍛成形工藝研究

宋銀生

(江蘇大洋精鍛有限公司，江蘇 鹽城224100）

截齒是采掘機(jī)械切割煤和巖石的刀具，主要由合金結(jié)構(gòu)鋼的齒體和焊接在齒體頭部的硬質(zhì)合金組成，工作時(shí)承受載荷較大且不均勻，極易發(fā)生折斷[1，2]。采用冷鍛成形，金屬內(nèi)部的晶粒均勻細(xì)小，流線得以保留，利于提高鍛件的強(qiáng)度[3]，可以有效提高截齒的壽命，改善采掘機(jī)械的生產(chǎn)效率?；ò晷谓佚X主要采用溫鍛成形工藝或多道分步冷鍛成形工藝，制造周期較長(zhǎng)，成本較高。本文以凹筋和凸筋兩種花瓣形截齒為例，通過(guò)有限元模擬分析凹筋形花瓣截齒的分步鍛造成形工藝和凸筋形花瓣截齒一次鍛造成形工藝，設(shè)計(jì)出合理的冷鍛模具結(jié)構(gòu)，完成批量生產(chǎn)。

1 選材及成形工藝

圖1a所示為凹筋形花瓣形截齒的零件圖，分步鍛造成形工藝設(shè)計(jì)成圖1b的鍛件圖。圖2a所示為凸筋花瓣截齒的零件圖，采用一次成形工藝，設(shè)計(jì)成圖2b所示的鍛件圖。冷鍛后再對(duì)其頭部和柄部機(jī)加工。

截齒的齒體材料決定了截齒的性能和使用壽命，選用具有較好的柔韌性和較高的強(qiáng)度的材料，才能減小產(chǎn)生斷裂的幾率[4]。常用的Cr-Mo系、Mn-B 系等截齒材料中，42CrMo 強(qiáng)度高，淬透性、沖擊韌性好，淬火時(shí)變形量小，在高溫時(shí)能夠持久地承受較高蠕變強(qiáng)度，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有抗沖擊能力強(qiáng)，低溫沖擊韌性高，疲勞極限強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[5，6]。本文選用42CrMo 為花瓣形截齒有限元模擬及批量生產(chǎn)的材料。

根據(jù)花瓣截齒的形狀特點(diǎn)，成形的關(guān)鍵是花瓣的均勻性，及花瓣溝道的凹、凸筋飽滿度。通常采用分步鍛造成形，其工藝流程為：制坯-球化退火-磷皂化-正擠-球化退火-磷皂化-預(yù)成形-球化退火-磷皂化-成形-機(jī)加工。凹筋形花瓣截齒的工藝流程如圖3所示。

圖1 凹筋花瓣形截齒

圖2 凸筋花瓣截齒

凸筋形花瓣截齒對(duì)分布鍛造成形工藝進(jìn)行優(yōu)化，將預(yù)成形、成形兩步工序合并，工藝流程為：制坯-球化退火-磷皂化-正擠-球化退火-磷皂化-成形-機(jī)加工，如圖4所示。通過(guò)有限元模擬分別對(duì)以上兩種工藝流程進(jìn)行模擬分析。

2 模擬結(jié)果分析

對(duì)花瓣截齒的鍛造成形工藝進(jìn)行三維有限元模擬，材料模型中的材料選用軟件中的DIN42CrMo4（20℃-1200℃），溫度設(shè)置為20℃。凹筋花瓣截齒的成形工序模擬過(guò)程的應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。從圖中可以看出，應(yīng)力均勻分布在花瓣處，材料向下流動(dòng)均勻，并出現(xiàn)飛邊，六個(gè)凹筋花瓣形狀均勻且飽滿。

圖5 中的成形擠壓過(guò)程的載荷與行程曲線，整個(gè)過(guò)程載荷不斷增大，在花瓣成形終了時(shí)載荷增長(zhǎng)速率較大，最大載荷為583 t，可以選用800 t油壓機(jī)。

圖3 分步鍛造成形工藝

圖4 一次鍛造成形工藝

根據(jù)以上分步鍛造成形工藝模擬參數(shù)，對(duì)一次成形工藝進(jìn)行有限元模擬的應(yīng)力分步見(jiàn)圖6，由于取消了預(yù)成形工序，應(yīng)力均勻分布在花瓣截齒頭部及六個(gè)花瓣處，形狀均勻飽滿，產(chǎn)品無(wú)缺陷產(chǎn)生，在成形過(guò)程應(yīng)力分布均勻，產(chǎn)品也未發(fā)生失穩(wěn)。

從一次成形過(guò)程的載荷與行程曲線可以看出，整個(gè)成形過(guò)程載荷持續(xù)變大，載荷增長(zhǎng)速率也較大，最大載荷為527 t，選用630 t 油壓機(jī)。

圖5 分布成形模擬過(guò)程

3 成形模具設(shè)計(jì)及生產(chǎn)試驗(yàn)

從有限元模擬的結(jié)果可知，凹筋形花瓣截齒通過(guò)分步鍛造成形，凸筋形花瓣截齒可以將預(yù)成形與成形工序合并，一次鍛造成形，凹筋和凸筋形截齒的成形模具設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7 和圖8。

圖6 一次成形模擬過(guò)程

從載荷曲線可以看出，成形過(guò)程載荷較大，毛坯及上下模承受的壓力較大，故將上、下模設(shè)計(jì)成三層預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，模芯材料選用65Nb，中圈材料選用H13，外圈材料選用40Cr。中圈和外圈可以作為通用件，針對(duì)不同的產(chǎn)品只需設(shè)計(jì)制造模芯的形狀。

4 球化退火工藝優(yōu)化

圖7 凹筋形截齒成形模具示意圖

圖8 凸筋形截齒成形模具示意圖

模具制造完成，按照設(shè)計(jì)的分步鍛造和一次鍛造成形工藝流程進(jìn)行工藝生產(chǎn)試驗(yàn)，球化退火工藝采用750℃4h+680℃5h，42CrMo 材料在球化退火后的球化率為90%～100%，金相圖如圖9所示，最終成形獲得的凹筋及凸筋花瓣截齒的六個(gè)花瓣均勻飽滿，與三維有限元模擬的結(jié)果一致。

分析凹筋形花瓣截齒的分步鍛造工藝，預(yù)成形工序是頭部鐓粗，成形工序通過(guò)上模下行充滿型腔，僅六個(gè)花瓣材料向下流動(dòng)，兩工序成形的材料變形量較小，毛坯具有較小的球化率即可滿足成形要求。通過(guò)對(duì)球化退火工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用750℃2h+680℃3h的球化退火工藝，42CrMo的球化率約為70%～80%，金相圖如圖10所示。

對(duì)毛坯進(jìn)行預(yù)成形、成形，成形后凹筋花瓣的形狀和飽滿度與原球化退火工藝成形花瓣的形狀及飽滿度無(wú)異，800 t 油壓機(jī)能夠滿足產(chǎn)品要求。經(jīng)批量生產(chǎn)的驗(yàn)證，預(yù)成形、成形的上、下模的模具壽命也與原球化退火工藝的壽命無(wú)差異。分步鍛造成形的凹筋形花瓣截齒的成品如圖11所示。

圖9 42CrMo 球化組織 1000X

圖10 42CrMo 球化組織 1000X

根據(jù)凹筋形花瓣截齒的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將優(yōu)化后的球化退火工藝用于凸筋形花瓣截齒的一次成形，成形后凸筋花瓣的形狀和飽滿度與原球化退火工藝成形的無(wú)差異，說(shuō)明將預(yù)成形和成形工序合并，使用優(yōu)化后的球化退火工藝，可以滿足鍛造成形的要求。將該工藝使用于批量生產(chǎn)中，使用630 t 油壓機(jī)，一次成形的產(chǎn)品穩(wěn)定性和凸筋花瓣的形狀、飽滿度均能達(dá)到要求。一次成形的凸筋形花瓣截齒的毛坯如圖12所示。

5 結(jié)論

圖11 凹筋形花瓣截齒成品

選用42CrMo 材料，通過(guò)三維有限元模擬分析凹筋形花瓣形截齒的分步冷鍛成形和凸筋形花瓣截齒的一次成形，結(jié)果顯示成形工位材料流動(dòng)均勻，花瓣形狀飽滿。凹筋形花瓣截齒模擬過(guò)程最大載荷為583 t，選用800 t 油壓機(jī)；凸筋形花瓣截齒模擬過(guò)程最大載荷為527 t，選用630 t油壓機(jī)，設(shè)計(jì)模具完成生產(chǎn)獲得合格的鍛件。

凸筋形花瓣截齒將預(yù)成形與成形工序合并，對(duì)于大批量生產(chǎn)，節(jié)約了模具材料，也極大的縮短了產(chǎn)品的制造周期。

圖12 凸筋形花瓣截齒毛坯

采用750℃2h+680℃3h的球化退火工藝代替750℃4h+680℃5h 球化退火工藝，就可以滿足花瓣截齒的成形，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約電能。