挖掘機(jī)斗齒精密輥鍛制坯與成形工藝研究

文／李偉·邢臺(tái)威力汽車零部件有限公司

本文以某型號(hào)斗齒為研究對(duì)象，通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了精密輥鍛制坯-整體模鍛的鍛造工藝。采用有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)輥鍛制坯與模鍛過程進(jìn)行研究，分析了變形過程中金屬流動(dòng)、成形載荷，驗(yàn)證了精密輥鍛制坯-整體模鍛工藝的可行性。

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要支撐，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展對(duì)相關(guān)裝備制造的要求也越來越高。挖掘機(jī)斗齒是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)裝備中的一個(gè)重要零件，也是易損件。斗齒形狀復(fù)雜，截面變化較大，傳統(tǒng)制造往往采用鑄造工藝進(jìn)行生產(chǎn)，由于鑄件容易出現(xiàn)疏松、不耐磨、韌性差等問題，鑄造斗齒的壽命成為施工效率與成本的一個(gè)重要影響因素。近年來，隨著自動(dòng)輥鍛機(jī)的大量應(yīng)用，鍛壓工藝與技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展進(jìn)步，采用輥鍛機(jī)進(jìn)行精密輥鍛制坯，然后采用壓力機(jī)進(jìn)行模鍛，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斗齒的鍛造生產(chǎn)。

本文以某型號(hào)斗齒為例，通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與鍛模結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了精密輥鍛—整體模鍛斗齒鍛造成形工藝，不僅對(duì)輥鍛模進(jìn)行了設(shè)計(jì)，還對(duì)輥鍛與模鍛過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。通過對(duì)成形過程的數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了精密輥鍛—整體模鍛斗齒成形工藝方案的可行性。

斗齒鍛造成形工藝分析

圖1 為斗齒鍛件示意圖，鍛件質(zhì)量21.5kg，材料為42CrMo。斗齒整體截面變化較為劇烈，即鍛件銷座位置截面較大，齒尖部位截面很小。由于該件銷座孔需要鍛造成形出來，因此該工件只能采用立鍛的方式進(jìn)行生產(chǎn)。由于該鍛件齒尖部位截面積很小，在鍛造成形時(shí)金屬往下方尖角流動(dòng)十分困難。按照金屬流動(dòng)規(guī)律，鍛造成形時(shí)金屬會(huì)向阻力最小的區(qū)域流動(dòng)，完全依靠立鍛來實(shí)現(xiàn)尖角充滿是不現(xiàn)實(shí)的，因此需要考慮制坯時(shí)將尖角處所需金屬坯料提前預(yù)留出來。輥鍛制坯可以實(shí)現(xiàn)將毛坯拔長，如果拔長道次足夠多，理論上可以拔長的很細(xì)。近年來，由于自動(dòng)化程度的提高，越來越多的企業(yè)開始購買自動(dòng)化輥鍛機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空氣錘來進(jìn)行制坯。因此，本設(shè)計(jì)采用了φ560mm 自動(dòng)輥鍛機(jī)來制坯，2500t 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)進(jìn)行終鍛。

圖1 斗齒鍛件示意圖

由于輥鍛機(jī)為制坯設(shè)備，在輥鍛時(shí)一般制坯要求比較粗糙，而斗齒下半部截面為十字形，在立鍛時(shí)如果毛坯尺寸過于粗糙，毛坯將很難放置到型腔中，同時(shí)也會(huì)增加成形時(shí)模具的磨損；在成形時(shí)，斗齒上半部分截面較為寬大，同時(shí)由于銷座孔的鍛出設(shè)計(jì)，該處在立鍛時(shí)可以依靠凸出的上模來改善金屬流動(dòng)，因此上半部分可以簡化設(shè)計(jì)，結(jié)合輥鍛制坯工藝特點(diǎn)，可以將該部分保留原始棒料尺寸；為減少輥鍛制坯時(shí)輥鍛道次，同時(shí)保證立鍛時(shí)毛坯在終鍛型腔中擺放平穩(wěn)，并且不能出現(xiàn)鐓粗失穩(wěn)，本設(shè)計(jì)選取原始棒料直徑為100mm。綜上，初步設(shè)計(jì)輥鍛毛坯示意圖如圖2 所示。

圖2 斗齒輥鍛毛坯示意圖

從圖2 可以看出，未變形圓鋼部位高度仍然偏高，其高度為230mm，其高徑比為2.3，雖然未超過2.5，但由于其底部為上大下小的錐形結(jié)構(gòu)，并且沖頭直徑為106mm，明顯采用直徑100mm 的圓鋼直接進(jìn)行鐓粗并不合理。因此需要在終鍛前增加一道鐓頭工序，將頭部鐓粗成矮而粗的形狀。該工序不僅能增加終鍛時(shí)坯料擺放的穩(wěn)定性，也能使得下部金屬更好地向型腔里流動(dòng)，從而使得終鍛時(shí)能夠更加順利地充滿型腔。

斗齒輥鍛模具設(shè)計(jì)

輥鍛道次的選取

從圖2 可以看出，雖然斗齒整體截面變化較為劇烈，但變化最為劇烈的地方是斗齒的尖部，斗齒中間及上部變化并不是很大，并且其截面均為十字形。圖3 中斗齒中部特征截面積為3320mm2，而原始棒料截面積為7853mm2，可根據(jù)式(1)計(jì)算輥鍛道次。

圖3 特征截面示意圖

輥鍛道次根據(jù)最小截面處選取，根據(jù)輥鍛件毛坯圖首先計(jì)算出該區(qū)段總延伸系數(shù)λZ：

式中，A0為原始坯料截面積，AN為輥鍛后坯料截面積。輥鍛道次n 按下式計(jì)算：

式中，λP為平均延伸系數(shù)，取值為1.6，所以n=1.82，取整后n=2。

按照正常設(shè)計(jì)理論，采用兩道次輥鍛，且第二道次型槽截面為圓形，因此選用橢圓—圓形槽系。但是斗齒的輥鍛為典型的精密成形輥鍛，不能完全按照一般制坯輥鍛工序來設(shè)計(jì)。

首先該毛坯小頭部拔長系數(shù)過高，且該制坯為單頭變截面拔長，金屬坯料在輥鍛制坯時(shí)可以很容易往小頭部流動(dòng)；并且該輥鍛件的截面為十字形截面，并非傳統(tǒng)的橢圓、方形或圓形截面。因此，需在兩道次制坯輥鍛之后增加一道整形工序，即采用三道次輥鍛制坯。

輥鍛型槽系的確定

合理的孔型設(shè)計(jì)是輥鍛制坯成功的保證，制坯過程中不允許出現(xiàn)飛邊、失穩(wěn)、刮料等缺陷。本設(shè)計(jì)中由于小頭部拔長系數(shù)較高，為提高拔長效率，可將橢圓—圓形孔型進(jìn)行一個(gè)改進(jìn)，改為橢圓—橢圓孔型。根據(jù)等體積原理，采用反推法由第三道次輥鍛件截面反推出第二道輥鍛件截面，再由第二道輥鍛件截面反推出第一道輥鍛件截面，查表可確定第三、二、一道次型槽截面尺寸，分別如圖4、5、6所示。

圖4 第三道次模具孔型截面

圖5 第二道次模具孔型截面

圖6 第一道次模具孔型截面

輥鍛模具圖

可根據(jù)輥鍛件的形狀來設(shè)計(jì)各道次輥鍛模具。模具型腔尺寸較為簡單，將毛坯截面尺寸轉(zhuǎn)化到對(duì)應(yīng)的輥鍛模扇形曲面上，由于該制坯為典型前壁成形，要考慮合適的前滑系數(shù)。在繪制該輥鍛模時(shí)，可根據(jù)鍛件的截面形狀選取特征孔型，本設(shè)計(jì)特征孔型為橢圓形截面與十字形截面，該截面在扇形模具上沿脊線均勻過渡。根據(jù)上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)，繪制各道次輥鍛模具圖，如圖7 所示。為降低下料尺寸不準(zhǔn)確造成的輥鍛件在長度方向出現(xiàn)飛邊，將在輥鍛模具尾端做一個(gè)容料倉。

圖7 各道次輥鍛模具圖

斗齒精密輥鍛-整體模鍛有限元數(shù)值模擬

精密輥鍛數(shù)值模擬

將上述建立的幾何模型導(dǎo)入到有限元數(shù)值模擬軟件中，根據(jù)輥鍛機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速設(shè)定輥鍛模的轉(zhuǎn)動(dòng)與速度約束，同時(shí)將毛坯導(dǎo)入有限元數(shù)值模擬軟件，設(shè)定好坯料、模具溫度及材料并劃分網(wǎng)格，設(shè)置相應(yīng)邊界條件，建立如圖8 所示有限元數(shù)值模型。

圖8 精密輥鍛有限元數(shù)值模型

在一道次輥鍛結(jié)束后，將毛坯旋轉(zhuǎn)90 度放入到下一道模具中進(jìn)行輥鍛，各道次輥鍛成形模擬結(jié)果如圖9 所示。從圖9 中可以明顯看出，第三道輥鍛時(shí)其截面形狀基本符合設(shè)計(jì)要求，坯料得到了合理分配，同時(shí)，并未出現(xiàn)飛邊、刮料、失穩(wěn)等現(xiàn)象；但由于輥鍛過程為非全封閉型腔，金屬在孔型垂直方向可以自由流動(dòng)，因此其最終形狀不可能完全符合輥鍛型腔尺寸。

圖9 輥鍛成形圖

輥鍛成形扭矩分別為第一道次80kNm、第二道次42kNm、第三道次18kNm，其扭矩小于本設(shè)計(jì)所選取的φ560mm 自動(dòng)輥鍛機(jī)，滿足設(shè)計(jì)要求。第一道次輥鍛扭矩最大，是因?yàn)榈谝坏来螢閳A鋼展寬，其在水平方向投影面積最大，因此其成形扭矩最大；第二道次為旋轉(zhuǎn)90 度后輥鍛，此時(shí)毛坯進(jìn)入型腔中部高而窄區(qū)域，水平方向投影面積??；第三道次為精整輥鍛，此時(shí)毛坯幾乎不再拔長，其壓下量較小，因此成形扭矩最小。

整體模鍛數(shù)值模擬

將輥鍛的數(shù)值模型導(dǎo)出，放置到鐓頭及終鍛模具中建立鐓粗、終鍛有限元數(shù)值模型，如圖10 所示。從圖10 中可以看出，輥鍛件形狀基本符合設(shè)計(jì)要求，能順利放置到鐓頭及終鍛型腔中，進(jìn)一步驗(yàn)證了輥鍛設(shè)計(jì)的可行性。

圖10 鐓頭、終鍛有限元模型

鐓頭、終鍛成形效果如圖11 所示，在鐓頭時(shí)下模與終鍛時(shí)下模型腔尺寸相同。從圖11 中可以看出，鐓頭壓力較小，僅221t，并且在鐓頭時(shí)毛坯下部金屬基本未發(fā)生流動(dòng)，金屬的流動(dòng)發(fā)生在大頭部。終鍛成形載荷為2750t，本設(shè)計(jì)采用2500t 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，該壓力機(jī)允許載荷能滿足要求。終鍛時(shí)型腔完全充滿，材料利用率高達(dá)92%，未產(chǎn)生折疊、刮料等缺陷，飛邊較小且分布均勻，進(jìn)一步驗(yàn)證了工藝設(shè)計(jì)的可行性。

圖11 鐓頭、終鍛成形圖

結(jié)論

通過對(duì)斗齒進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，提出了精密輥鍛—整體模鍛的成形工藝，并進(jìn)行了相關(guān)工藝設(shè)計(jì)，材料利用率為92%，且在現(xiàn)有φ560mm 自動(dòng)輥鍛機(jī)及2500t 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上可順利成形，從而為同類型斗齒提供了一種全新的設(shè)計(jì)思路，對(duì)斗齒鑄改鍛工藝具有一定的借鑒意義。