閆中原,張曉波,徐洪磊,劉樂(lè),紀(jì)小虎,李萍
齒套閉塞式鍛造成形研究
閆中原,張曉波,徐洪磊,劉樂(lè),紀(jì)小虎,李萍
(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥 230009)
為了解決某截齒齒套鍛壓載荷大、模具壽命低、齒套腔充填難等技術(shù)問(wèn)題。采用數(shù)值模擬的方法,選取不同的始鍛溫度和沖頭進(jìn)給速度,對(duì)截齒齒套熱鍛成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析,根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)上下沖頭載荷的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致,但在成形傘頭側(cè)壁及傘頭尾部時(shí),下沖頭成形載荷的增長(zhǎng)率相較于上沖頭有所增加。采用上沖頭進(jìn)給速度為10 mm/s,下沖頭進(jìn)給速度為23.50 mm/s,始鍛溫度為1000 ℃的優(yōu)化參數(shù),其最大成形載荷不會(huì)出現(xiàn)明顯增加,另外最大等效應(yīng)力和最大損傷因子皆較小,并且金屬填充效果良好。通過(guò)分析始鍛溫度和沖頭進(jìn)給速度對(duì)截齒齒套成形的影響,并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和控制,得出了最優(yōu)工藝參數(shù)區(qū)間,為實(shí)際生產(chǎn)提供了參考依據(jù)和理論指導(dǎo)。
齒套;閉塞式鍛造;始鍛溫度;沖頭進(jìn)給速度
礦用截齒齒套是采煤機(jī)上重要的連接部件,起到裝夾截齒,使之固定于截齒座的作用[1],其中齒套是采煤機(jī)、刨煤機(jī)以及掘進(jìn)機(jī)等采掘機(jī)械用在煤礦開(kāi)采、巷道掘進(jìn)以及隧道建設(shè)等工程中進(jìn)行破巖落煤的關(guān)鍵部件[2],但由于工況環(huán)境較為惡劣,齒套和截齒磨損消耗較為嚴(yán)重[3]。一些研究者為了提高齒套和截齒的力學(xué)性能進(jìn)而提出了相關(guān)的優(yōu)化措施,主要集中在截齒齒套的材料選用和表面處理等方面[4-7],而齒套成形工藝多為熱鍛和冷鍛相結(jié)合的方法,成形方案復(fù)雜且成本高。
針對(duì)礦用截齒齒套結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形難等特點(diǎn),文中提出了閉塞式鍛造成形工藝,從一定程度上解決齒套因成形過(guò)程引起的成形缺陷和性能降低的問(wèn)題。閉塞式鍛造工藝是先將可分的凹模閉合,并對(duì)其施加足夠的合模力,然后通過(guò)一個(gè)或多個(gè)沖頭沿不同方向施加壓力,使金屬產(chǎn)生流動(dòng),從而可在一道變形工序中獲得復(fù)雜零件[8]。此外,由于其成形過(guò)程中坯料處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài),因此適用于成形低塑性材料,而且金屬流線沿鍛件外形連續(xù)分布,所以其成形鍛件的力學(xué)性能較好[9-11]。閉塞式鍛造成形有諸多優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外眾多研究學(xué)者[12-14]利用數(shù)值分析軟件對(duì)成形復(fù)雜件均做了深入的研究,分析了工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程中金屬流動(dòng)、應(yīng)力-應(yīng)變分布和成形載荷等的影響。
雖然閉塞式鍛造成形有諸多優(yōu)點(diǎn),但其優(yōu)良的成形性能是建立在各加工參數(shù)最優(yōu)化的基礎(chǔ)上,文中采用Deform有限元軟件對(duì)某截齒齒套閉塞式鍛造成形過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬,在保證沖孔連皮位置及厚度不變的基礎(chǔ)上,通過(guò)單因素方法探討不同沖頭進(jìn)給速度、始鍛溫度對(duì)截齒齒套的影響,為截齒齒套熱閉塞鍛造工藝的優(yōu)化和生產(chǎn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
圖1為某型號(hào)截齒齒套的零件,該齒套外形為圓柱孔形件,其中最小孔徑為35 mm,最大孔徑為43.5 mm,零件頭部為一個(gè)傘形凸臺(tái),其中凸臺(tái)的最大直徑為92 mm,齒套總長(zhǎng)為139 mm。該零件材料選用超高強(qiáng)度鋼42CrMo,因此需要對(duì)坯料進(jìn)行加熱,降低其變形抗力并且提高其塑性。此外齒套的形狀復(fù)雜,為了保證成形質(zhì)量,所以選擇閉塞式鍛造工藝。
根據(jù)體積不變?cè)韀15],對(duì)截齒齒套進(jìn)行體積計(jì)算,坯料規(guī)格為57 mm×103 mm,沖孔連皮保留在內(nèi)徑過(guò)渡區(qū)并且厚度設(shè)為6 mm。模擬時(shí)上凹模與下凹模完成合模,然后上下沖頭分別向下、向上推擠成形齒套,閉塞式鍛造有限元模型如圖2所示。
利用三維造型軟件UG獲得以上成形工藝的模具結(jié)構(gòu)及初始坯料的三維幾何模型,然后轉(zhuǎn)換成通用圖形格式STL導(dǎo)入到Deform-3D前處理的Geometry模塊中。坯料材質(zhì)為42CrMo,選擇Deform材料庫(kù)中AISI-4140(20~1200 ℃)與之對(duì)應(yīng)。設(shè)置坯料始鍛溫度為900 ℃,模具溫度為400 ℃,上沖頭的進(jìn)給速度為10 mm/s,下沖頭的進(jìn)給速度為23.50 mm/s,上下沖頭的運(yùn)動(dòng)時(shí)間皆為2.851 s,熱傳系數(shù)設(shè)為11 N/(s?1·mm?1·℃?1),坯料單元網(wǎng)格數(shù)為150 000,模具單元網(wǎng)格數(shù)為32 000,采用剪切摩擦模型且摩擦因數(shù)取0.3。
圖1 截齒齒套零件圖
圖2 閉塞式鍛造模型
齒套閉塞式鍛造載荷行程及坯料的充填過(guò)程如圖3和圖4所示。上沖頭的載荷主要有2個(gè)明顯的變化過(guò)程,首先上沖頭擠壓上半部分金屬坯料使之填充圓筒壁(A),載荷隨著沖頭行程的增大而緩慢增加,之后當(dāng)金屬填充到圓筒直徑過(guò)渡區(qū)(D)時(shí),由于在圓筒直徑過(guò)渡區(qū)(D)直徑縮小,金屬在圓筒直徑過(guò)渡區(qū)(D)流動(dòng)受阻,載荷增大的速率加快。最后當(dāng)金屬填充到齒套的頂部時(shí),由于頂部的圓筒邊緣縫隙(E)較小,金屬填充時(shí)阻力進(jìn)一步加大,使載荷急劇升高。但下沖頭載荷與行程之間的變化關(guān)系則與之有所不同,這主要是齒套關(guān)鍵部位“傘頭”的復(fù)雜結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的,當(dāng)下沖頭向上移動(dòng)擠壓金屬坯料使之向兩側(cè)流動(dòng)時(shí),載荷緩慢升高;當(dāng)金屬流動(dòng)到齒套的傘頭側(cè)壁(C)時(shí),金屬流動(dòng)受阻,流動(dòng)速度減弱,所需載荷快速增大。當(dāng)齒套傘頭(F)填充相對(duì)完整時(shí),由于齒套尾部(B)存在大部分還未填充的空腔,即金屬將向尾部阻力較小的區(qū)域流動(dòng)[16],所以此階段下沖頭載荷整體上基本不增加。當(dāng)尾部區(qū)域填充較完整時(shí),下沖頭繼續(xù)擠壓金屬使其填充未充滿的齒套傘頭尾部(G),此時(shí)阻力增大導(dǎo)致成形載荷急劇增大。
圖3 閉塞式鍛造載荷-上沖頭行程曲線
圖4 不同成形階段坯料的充填示意
影響截齒齒套成形效果及成形載荷的因素及參數(shù)很多,文中著重分析始鍛溫度與沖頭進(jìn)給速度的影響。
3.2.1 始鍛溫度對(duì)成形載荷的影響
金屬材料的變形抗力隨著溫度的升高會(huì)逐漸下降,為了降低成形載荷,要在盡可能高的溫度下進(jìn)行鍛造。但過(guò)高溫度可能使毛坯產(chǎn)生過(guò)熱或過(guò)燒[17]。研究發(fā)現(xiàn),42CrMo溫鍛成形一般選取溫度為850~ 1200 ℃。在保證其他參數(shù)不變的條件下,為了研究42CrMo的最佳初始鍛造溫度,分別選取毛坯溫度為900,950,1000,1050,1100,1150 ℃進(jìn)行模擬。
始鍛溫度對(duì)最大成形載荷的影響結(jié)果如圖5所示??梢钥闯觯髁系氖煎憸囟仍礁?,變形抗力越小,則最大成形載荷越小。當(dāng)始鍛溫度為900~950 ℃時(shí),上下沖頭的最大成形載荷呈明顯下降的趨勢(shì);當(dāng)始鍛溫度為950~1000 ℃時(shí),上下沖頭的最大成形載荷曲線出現(xiàn)平緩階段,此時(shí)上沖頭最大成形載荷約為297 t,下沖頭最大成形載荷約為396.5 t;而1000 ℃之后,上下沖頭的成形載荷又呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。在實(shí)際生產(chǎn)中,坯料會(huì)因熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對(duì)流等損失一部分熱量從而導(dǎo)致坯料溫度下降,而當(dāng)毛坯的始鍛溫度為1000 ℃時(shí),即使毛坯損失部分熱量導(dǎo)致溫度下降,但是其上下沖頭所需的最大成形載荷也不出現(xiàn)明顯增加。
當(dāng)始鍛溫度為900~1000 ℃,此時(shí)最大等效應(yīng)力快速降低(如圖6所示);而1000~1150 ℃時(shí),等效應(yīng)力緩慢增加,其中當(dāng)始鍛溫度為1000 ℃時(shí),最大等效應(yīng)力為最小值538 MPa,并且此時(shí)易損傷處(齒套傘頭凸筋部位)的最大損傷因子也存在最小值0.602。綜上所述,當(dāng)始鍛溫度為1000 ℃時(shí),成形鍛件的質(zhì)量最佳。
圖5 始鍛溫度對(duì)最大成形載荷的影響
圖6 始鍛溫度對(duì)最大等效應(yīng)力及最大損傷因子的影響
3.2.2 沖頭進(jìn)給速度對(duì)鍛件成形性的影響
沖頭進(jìn)給速度的不同導(dǎo)致了金屬質(zhì)點(diǎn)間速度場(chǎng)分布的不同,從而對(duì)零件質(zhì)量、模具壽命有很大影響[18]。因此在保證其他參數(shù)、沖孔連皮位置及厚度不變的情況下,為了研究不同進(jìn)給速度對(duì)鍛件成形質(zhì)量的影響規(guī)律,上沖頭進(jìn)給速度選為1,5,10,15,20 mm/s,對(duì)應(yīng)地,下沖頭進(jìn)給速度分別為2.35,11.71,23.5,35.25,47 mm/s。
上、下沖頭的進(jìn)給速度對(duì)最大成形載荷的影響如圖7所示。當(dāng)上沖頭的進(jìn)給速度為1~10 mm/s時(shí),其上、下沖頭的最大成形載荷表現(xiàn)出降低的趨勢(shì);而當(dāng)上沖頭進(jìn)給速度大于10 mm/s時(shí),其上、下沖頭的最大成形載荷趨勢(shì)有所不同,上沖頭最大成形載荷表現(xiàn)為先增加后降低,而下沖頭載荷為平穩(wěn)增加。上沖頭進(jìn)給速度為10 mm/s時(shí),上、下沖頭的最大成形載荷皆為最小值,此時(shí)上、下沖頭的最大成形載荷分別為295 t和394 t。
模擬獲得的沖頭進(jìn)給速度對(duì)鍛件最大等效應(yīng)力、最大損傷因子的影響趨勢(shì)如圖8所示??梢钥闯觯?dāng)上沖頭進(jìn)給速度為0~5 mm/s和10~20 mm/s時(shí),最大等效應(yīng)力皆處在上升趨勢(shì),當(dāng)上沖頭進(jìn)給速度為10 mm/s時(shí),最大等效應(yīng)力處于最小值581 MPa,即模具型腔所處的壓力最小。此外上沖頭進(jìn)給速度取10 mm/s時(shí),鍛件的最大損傷因子為最小值0.441,可推測(cè)此時(shí)鍛件成形過(guò)程中開(kāi)裂的傾向最小。綜上所述,當(dāng)上、下沖頭進(jìn)給速度分別取10 mm/s和23.50 mm/s時(shí),有利于成形較好的鍛件。
圖7 沖頭進(jìn)給速度對(duì)最大成形載荷的影響
圖8 沖頭進(jìn)給速度對(duì)鍛件最大等效應(yīng)力和最大損傷因子的影響
結(jié)合以上模擬分析結(jié)果,在保證沖孔連皮的位置及厚度不變的前提下,選取坯料始鍛溫度為1000 ℃,上沖頭進(jìn)給速度為10 mm/s,下沖頭進(jìn)給速度為23.50 mm/s,進(jìn)行模擬分析,所得結(jié)果如圖9所示。
從優(yōu)化后的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),其上、下沖頭的最大成形載荷分別為295 t和394 t,滿足特定設(shè)備壓力機(jī)的成形噸位要求;最大等效應(yīng)力為581 MPa、最大損傷因子為0.441,并且相較而言最?。淮送饨饘倥c模具型腔接觸良好并且較難成形的傘頭尾部也填充得相對(duì)完整。
圖9 優(yōu)化后的有限元模擬數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)材料選用42CrMo,優(yōu)化選取的工藝參數(shù)為:在保證沖孔連皮位置及厚度不變的前提下,上沖頭進(jìn)給速度為10 mm/s,下沖頭進(jìn)給速度為23.50 mm/s,始鍛溫度為1000 ℃。驗(yàn)證結(jié)果如圖10所示,可以看出整個(gè)鍛件充填完整并且難成形的傘頭尾部充填也相對(duì)完整,此外整個(gè)鍛件表面成形質(zhì)量良好,載荷滿足壓力機(jī)設(shè)備要求。
圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)某型號(hào)截齒齒套的閉塞式鍛造成形進(jìn)行研究,分析了不同工藝參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響,得出以下結(jié)論。
1)截齒齒套熱閉塞式成形過(guò)程中,上、下沖頭載荷的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致。但是由于齒套“傘頭”部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在成形傘頭側(cè)壁及傘頭尾部時(shí),下沖頭成形載荷增長(zhǎng)率相較于上沖頭有所增加。
2)截齒齒套熱閉塞式成形時(shí),采用上沖頭進(jìn)給速度為10 mm/s,下沖頭進(jìn)給速度為23.50 mm/s,始鍛溫度為1000 ℃的優(yōu)化參數(shù),其毛坯損失的熱量導(dǎo)致的最大成形載荷不會(huì)出現(xiàn)明顯增加;此外最大等效應(yīng)力和最大損傷因子皆較小,并且整體的金屬填充效果良好。
3)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),優(yōu)化參數(shù)后成形的整個(gè)鍛件填充完整并且難成形的傘頭尾部充填也相對(duì)完整,表面成形質(zhì)量良好,與模擬結(jié)果相匹配。
[1] 彭勇. 礦用截齒齒套溫鍛成型工藝優(yōu)化[J]. 山東工業(yè)技術(shù), 2018(16): 31.
PENG Yong. Optimization of Warm Forging Process for Mining Cut-Off Tooth Sleeve[J]. Shandong Industrial Technology, 2018(16): 31.
[2] 許煦. 一種煤截齒的高強(qiáng)度耐腐蝕齒套: 中國(guó), CN210768760U[P]. 2020-06-16.
XU Xu. High-Strength Corrosion-Resistant Tooth Sleeve of Coal Cutting Tooth: China, CN210768760U [P]. 2020-06-16.
[3] TIRYAKI B. In Situ Studies on Service Life and Pick Consumption Characteristics of Shearer Drums[J]. Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy, 2004, 104(2): 107-121.
[4] 王景輝. 采煤機(jī)截齒失效機(jī)理及改進(jìn)技術(shù)措施研究[J]. 煤炭與化工, 2018, 41(12): 79-81.
WANG Jing-hui. Study on Shearer Pick about Failure Mechanism and Improvement Measures[J]. Coal and Chemical Industry, 2018, 41(12): 79-81.
[5] 韓小冰. 采煤機(jī)截齒齒體材料及工藝研究[J]. 當(dāng)代化工研究, 2020(9): 127-128.
HAN Xiao-bing. Research on Material and Technology of Cutting Pick Tooth of Shearer[J]. Modern Chemical Research, 2020(9): 127-128.
[6] 張敬業(yè). 金屬型鑲鑄采煤機(jī)截齒的組織與性能研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2019: 10-12.
ZHANG Jing-ye. Research on Structure and Properties of Metal Mold Cast-In Shearer Cutting Pick[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2019: 10-12.
[7] 程曄鋒, 程巨強(qiáng), 李晴. 35SiMnMo和42CrMo鋼截齒體組織及性能的比較[J]. 煤礦機(jī)械, 2019(4): 79-80.
CHENG Ye-feng, CHENG Ju-qiang, LI Qing. Comparison of Microstructure and Property of 35SiMnMo and 42CrMo Steel Pick Body[J]. Coal Mine Machinery, 2019(4): 79-80.
[8] 周結(jié)魁, 薛克敏, 徐迎強(qiáng), 等. 沖孔連皮對(duì)傘齒輪冷閉塞鍛造成形的影響研究[J]. 模具技術(shù), 2011(6): 9-12.
ZHOU Jie-kui, XUE Ke-min, XU Ying-qiang, et al. Research on the Effect of Punching Wad on Bevel Gears Cold Closed-Die Forging[J]. Die and Mould Technology, 2011(6): 9-12.
[9] 楊程, 丁伯艮, 莊曉偉, 等. 不對(duì)稱噴油器體閉塞鍛造成形[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2018, 25(4): 27-31.
YANG Cheng, DING Bo-gen, ZHUANG Xiao-wei, et al. Closed Die Forging of Asymmetry Fuel Injector Body[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2018, 25(4): 27-31.
[10] 金鳳臻, 黃婷, 李瀚偉, 等. 新能源空調(diào)壓縮機(jī)軸承座成形工藝研究[J]. 鍛造與沖壓, 2018(17): 63-65.
JIN Feng-zhen, HUANG Ting, LI Han-wei, et al. Study on the Forming Process of the Bearing Housing of the New Energy Air Conditioning Compressor[J]. Forging and Metalforming, 2018(17): 63-65.
[11] SHAN De-bin, LIU Fang, XU Wen-chen, et al. Experimental Study on Process of Precision Forging of an Aluminium-Alloy Rotor[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 170(1): 412-415.
[12] ZHANG Wei, YU Dong-dong. Closed-Die Forging Technology and Numerical Simulation of Aluminum Alloy Connecting Rod[J]. Open Physics, 2019, 17(1): 497-504.
[13] SONG J H, IM Y T. Process Design for Closed-Die Forging of Bevel Gear by Finite Element Analyses[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 192/193: 1-7.
[14] 喬碩, 劉國(guó)凱, 周結(jié)魁, 等. 行星齒輪冷閉塞式鍛造工藝數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[J]. 精密成形工程, 2012, 4(6): 5-8.
QIAO Shuo, LIU Guo-kai, ZHOU Jie-kui, et al. The Numerical Simulation and Experimental Study of Cold Closed Die Forging Process of Planetary Gear[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2012, 4(6): 5-8.
[15] 劉翠俠, 張治民, 李國(guó)俊, 等. 帶枝婭筒形件擠壓成形工藝研究[J]. 鍛壓技術(shù), 2015, 40(3): 53-57.
LIU Cui-xia, ZHANG Zhi-min, LI Guo-jun, et al. Research on Extrusion Forming Process of Gylindrical Parts with Branches[J]. Forming and Stamping Technology, 2015, 40(3): 53-57.
[16] С.И.古布金. 金屬壓力加工原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 1955: 248-352.
GUBKIN С И. Principles of Metal Pressure Machining[M]. Beijing: Higher Education Press, 1955: 248-352.
[17] 陳邦華, 夏玉峰, 杜婉婉. 汽車離合器盤轂溫精鍛工藝的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(13): 103-105.
CHEN Bang-hua, XIA Yu-feng, DU Wan-wan. Simulation and Experiment Study on Warm Forging Process for Auto Clutches Disc Hub[J]. Hot Working Technology, 2014, 43(13): 103-105.
[18] 仇偉, 王天舒, 梁鶴, 等. 星形套冷態(tài)閉塞式精鍛成形分析[J]. 精密成形工程, 2015, 7(4): 48-52.
QlU Wei, WANG Tian-shu, LIANG He, et al. Analysis on the Process of Cold Enclosed Precision Forging of Starlike Sleeve[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2015, 7(4): 48-52.
Closed Die Forging Forming of the Truncated Tooth Sleeve
YAN Zhong-yuan, ZHANG Xiao-bo, XU Hong-lei, LIU Le, JI Xiao-hu, LI Ping
(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)
The work aims to solve the technical problems in forging of truncated tooth sleeve such as high forging load, low die life and difficulty in filling the cavity. Numerical simulation was used to simulate and analyze the hot forging forming process of a truncated tooth sleeve by selecting different starting forging temperature and punch feed rates, and the parameters were optimized according to the simulation results. The growth trend of the load on the upper and lower punches was basically the same. However, in the forming of side wall and end of the umbrella head, the growth rate of the forming load on the lower punch increased compared to that on the upper punch. With the optimized parameters of an upper punch feed rate of 10 mm/s, a lower punch feed rate of 23.50 mm/s and a starting forging temperature of 1000 ℃, the maximum forming load did not increase significantly. In addition, the maximum effective stress and the maximum damage factor were smaller, and the metal filling effect was better. The effects of the starting forging temperature and punch feed rate on the forming of truncated tooth sleeve are analyzed and the starting forging temperature and punch feed rate are optimized to obtain the optimum process parameters, which provides a reference basis and theoretical guidance for practical production.
truncated tooth sleeve; closed die forging forming; starting forging temperature; punch feed rate
10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.006
TG316.3
A
1674-6457(2022)02-0033-06
2021-07-05
校企合作項(xiàng)目(W2021JSKF0334)
閆中原(1996—),男,碩士生,主要研究方向?yàn)椴牧铣尚芜^(guò)程與技術(shù)。
李萍(1973—),女,博士,教授,主要研究方向?yàn)榫芩苄猿尚喂に嚺c仿真。