截齒齒套閉塞式鍛造成形工藝仿真研究

文／閆中原，王召宇，宋宇軒，范佳寧，薛克敏·合肥工業(yè)大學

截齒是采煤機和掘進機的直接切割刀具，工作條件非常惡劣。在使用過程中，截齒會受到煤層或巖石的摩擦和沖擊作用，其失效形式為頭部齒體磨損過快導致合金頭脫落，或者是齒體抗彎性能差，在受強力作用下彎曲或折斷。齒套作為截齒頭和大鉆頭的連接部位，其力學性能受到了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體型復雜零件的制造多采用鑄造和車削的方法，車削加工后的材料力學性能與鑄態(tài)的基本一致，因此難以滿足復雜服役環(huán)境的使用要求。

近年來，基于鍛件優(yōu)良性能考慮，大型零件的生產(chǎn)越來越趨向于采用鍛造的方法?，F(xiàn)階段，截齒齒套鍛造工藝路線如圖1 所示，該工藝需要兩步成形，工藝過程較多，不滿足節(jié)能環(huán)保的要求，因此需要優(yōu)化工藝。本文采取閉塞式鍛造(圖2)工藝，與普通模鍛相比，閉塞式鍛造可以成形出復雜形狀的鍛件，且成形過程中坯料處于強烈的三向壓應力狀態(tài)，可以充分發(fā)揮其塑性，這對鍛造低塑性難變形合金尤為重要。此外閉塞式鍛造生產(chǎn)效率高，減少了切削加工，金屬流線沿鍛件外形連續(xù)分布，纖維不被切斷，鍛件的力學性能明顯提高。本文采用Deform-3D 有限元軟件對某截齒齒套傳統(tǒng)鍛造工藝與閉塞式鍛造工藝進行模擬分析，研究截齒齒套閉塞式鍛造的成形特點。

圖1 傳統(tǒng)鍛造工藝路線

圖2 一步成形法工藝路線

研究方案

鍛件的確定

圖3所示為使用UG建立的截齒齒套三維鍛件圖，該鍛件外形為圓柱形孔件，其中最小孔徑為33mm，最大直徑為90mm，總長為137mm。模鍛不能直接鍛出通孔，必須在孔內(nèi)保留一層稱之為連皮的金屬。沖去連皮后，才得到通孔。此鍛件的沖孔直徑為33mm，屬于中等孔徑(30mm＜d＜60mm)鍛件，而中等孔徑鍛件通常采用平底連皮，連皮厚度推薦為，其中，系數(shù)(5 ～7.5)按h/d 確定，當h/d=0.5 時取5，h/d 接近1 時取7.5。為防止坯料高徑比過大造成失穩(wěn)，選擇圓柱形坯料的高徑比h/d 為1.5，最終確定坯料的尺寸為φ57mm×116mm。

圖3 截齒齒套鍛件三維模型

有限元模型的建立

根據(jù)齒套的結(jié)構(gòu)特點，設計了傳統(tǒng)截齒齒套成形(即頂鐓后反擠的成形方案)和閉塞式鍛造兩種不同的工藝方案，在相同參數(shù)下，研究截齒齒套在不同工藝下的成形特點，其三維模型如圖4 所示。

圖4 不同工藝下的三維模型

采用三維造型軟件建立模具的三維幾何模型，導出STL 格式的文件，并導入到Deform-3D 中，坯料的材料為42CrMo，由于該材料具有強度高、韌性高、變形抗力大等特點，難以進行冷鍛成形，因此需要對坯料進行加熱。采用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)選取0.3，沖頭的進給速度設為10mm/s，熱傳導系數(shù)設為11W/(m2·℃)，模具溫度設為400℃，坯料溫度設為1000℃，坯料劃分網(wǎng)格數(shù)為150000 個，模具劃分網(wǎng)格數(shù)為32000 個。

模擬結(jié)果

頂鐓+反擠的成形特點

首先對頂鐓成形后的變形進行分析，從圖5 中可以觀察到，等效應變較大的區(qū)域主要集中在截齒的凸臺位置，這說明變形量大的區(qū)域也集中在凸臺處；當金屬流動到凸臺側(cè)壁時，由于流動受阻，金屬若繼續(xù)流動則需要較大的流動速度，如圖5(c)所示，金屬流動速度最大的區(qū)域集中在金屬流動受阻的位置即凸臺側(cè)壁及凸起處，而其他位置的金屬流速則基本相同。在凸臺側(cè)壁處，由于金屬流動受阻及坯料上表面沖頭壓應力的作用，致使此區(qū)域的等效應力較大。此外，由載荷行程圖[圖5(d)]可知，當沖頭行程到達28mm 左右時，由于凸臺上方的凸起小且復雜，所以在較小的行程中載荷急劇增加，最大的成形載荷為573t。

圖5 頂鐓的成形效果圖

圖6 所示為頂鐓后反擠成形效果圖。從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，等效應變較大的區(qū)域主要集中在截齒的凸起以及縮徑過渡區(qū)，這說明變形量大的區(qū)域也集中在這些區(qū)域；沖頭下壓反擠坯料使金屬向上流動，在壓應力的作用下，凸臺側(cè)壁與凸起處等效應力增大，金屬繼續(xù)向上流動到達縮徑過渡區(qū)即行程為36mm左右時，金屬流動的阻力增大進而所需載荷也迅速增大，隨著沖頭的進一步下移以及坯料金屬流動的不均勻，導致載荷在后續(xù)成形過程中上下波動，其載荷最大值為521t。

圖6 頂鐓后反擠的成形效果圖

結(jié)合傳統(tǒng)的成形工藝(頂鐓+反擠)路線，得出結(jié)論：頂鐓成形時，應力主要集中在凸臺與凸臺上的凸起位置，且在成形凸起時，成形載荷會在較短的行程中快速增加；反擠成形時，應力主要集中在凸臺、凸起以及縮徑過渡區(qū)，其中在沖頭下壓使坯料通過縮徑過渡區(qū)時，載荷迅速增加，且由于金屬流動的不均勻性，導致載荷值呈振蕩趨勢，整個成形過程的最大載荷為573t。

閉塞式鍛造的成形特點

圖7 所示為閉塞式鍛造成形效果圖。不同于傳統(tǒng)的成形工藝，在相同的參數(shù)條件下，閉塞式鍛造成形后的鍛件等效應變最大區(qū)域主要集中在縮徑過渡區(qū)(此處的應變量也較大)，而其他位置的等效應變基本一致；等效應力分布比較均勻，不會產(chǎn)生應力集中的現(xiàn)象，避免了鍛件缺陷的產(chǎn)生，且金屬流速相對較均勻，上下沖頭在進給成形過程中所需載荷相對較小，成形載荷最大值為372t。

圖7 閉塞式鍛造的成形效果圖

此外，當閉塞式鍛造成形結(jié)束后，坯料與模具的接觸較好，即金屬能較好的填充型腔，未見到充填不足、折疊等缺陷(圖8)，而且在等效應力集中的區(qū)域(凸臺、凸起和縮徑過渡區(qū))成形效果良好。

圖8 坯料與模具的接觸關(guān)系圖

結(jié)合對閉塞式擠壓成形截齒齒套的分析，可以得出結(jié)論：在相同的工藝參數(shù)下，閉塞式鍛造成形截齒齒套質(zhì)量較好，金屬充填型腔較為完整且成形載荷較低為372t。

結(jié)束語

通過對截齒齒套的傳統(tǒng)成形工藝和閉塞式鍛造工藝進行有限元模擬，對變形過程中的等效應變、等效應力、金屬流動速度及沖頭載荷進行了對比分析，獲得了截齒齒套在不同工藝下的成形規(guī)律，最后發(fā)現(xiàn)在相同的成形參數(shù)條件下，閉塞式鍛造成形后的截齒齒套質(zhì)量較好，金屬充填型腔較為完整且成形載荷值比傳統(tǒng)工藝低201t。