支重轮半体模锻工艺研究

2013-08-16姬连凯

锻压装备与制造技术 2013年5期

姬连凯

（中国南车石家庄车辆有限公司工程机械事业部，河北石家庄 050080）

1 零件分析

支重轮是履带式挖掘机的重要配件，其作用是将挖掘机重量传给地面，承受载荷大；经常处于尘土中，有时还浸泡在泥水中，工作条件恶劣。支重轮体是由两个锻造半体组焊而成，可以获得卓越的内部材质纤维流分布结构，材质为45Mn，其原有工艺是在2t电液锤上进行胎模锻生产，工人的劳动强度很大。随着生产批量的加大，原有工艺方案已不能满足生产需要。为此，决定采用模锻工艺进行生产，其工艺流程为：带锯床锯切下料—空气锤预锻—摩擦压力机终锻—曲柄压力机落飞边—冲床冲孔，图1为某种履带式挖掘机支重轮半体热锻件图。

图1 热锻件图

该零件属于带法兰及具透孔的典型回转体锻件，锻件的预锻只是简单镦粗即可，无需制造专门的预锻模块。为保证锻件质量及确保模锻件能从模膛中取出，分模面选在最大外径的中间截面处；为保证金属容易充满型腔，形状复杂的一端放到上模。

2 数值模拟分析

随着计算机软件技术的发展，数值模拟技术越来越广泛地应用到生产实际中。利用有限元模拟技术不仅能节省大量资金，缩短工艺和模具设计周期，还可通过模拟结果对模具结构和工艺参数进行验证。数值模拟的几何模型由UG三维绘图软件完成，输出STL格式文件，然后由体积成形软件Deform-3D读取。因支重轮半体是轴对称零件，取工件的1/4进行分析。

2.1 有限元模型的参数选取[1]

图2 有限元模型

为提高模型的精度，减少二次造型引起的误差，终锻毛坯的几何模型直接由预锻镦粗后的模拟结果导入，数值模拟的有限元模型见图2。坯料为塑性体，材料为AISI-1043（45Mn），上模与下模定义为刚体，不考虑其变形，模具作为几何边界对工件进行约束，考虑到热力耦合，对模具进行网格划分，材料为AISIH13；坯料初始温度为1200℃，下模及上模预热温度为300℃，坯料和模具接触过程中设置热传递；网格划分采用默认四面体单元，坯料划分50000网格，模具划分为70000网格；上模压下速度为100mm/s[2]，增量计算时总的行程为58mm，每次增量取为0.5mm。

2.2 有限元模拟结果分析

图3为整个行程中坯料的变形情况[3]。第一阶段镦粗变形阶段，随着上模的进一步下压，坯料和模具接触面积逐渐增加，此时坯料受到上下内孔凸台挤压开始向四周运动（图3b）；第二阶段为出飞边阶段，上模继续压下，飞边逐步形成，金属向外流动阻力加大，开始填充模膛（图3c）；第三阶段为充满模膛阶段，随着上下模逐步打靠，飞边处金属流动急剧增大，金属向难以成形处流动，从而最终充满模膛（图3d）。从模拟的结果可以看出，在成形过程中变形较为均匀，对于圆角及较深型腔部位均没有发生折叠和充不满等缺陷。

图3 坯料的变形情况

图4为模锻成形变形抗力图[4]。对抗力图分析可以看出变形过程分为三个阶段：第一个阶段从开始到行程15mm，为初始变形阶段（图3a、b），模具接触坯料表面，坯料发生少量的塑性变形，变形抗力平缓上升，载荷较小；出飞边为第二阶段，行程从47mm到94mm（图3b、c），载荷有一个小的突变，一直上升到5800kN。该阶段已出现少量飞边，变形抗力增大，坯料开始填充型腔；第三阶段是最终充满模膛阶段（图3c、d），此时已形成较大的飞边，变形急剧上升，直至最终打靠。如图3d所示，行程终了的载荷为13500kN。

图4 模锻成形变形抗力图

3 工艺方案

3.1 模锻设备的选择

考虑到锻造工艺条件及产品批量，采用具有下顶出装置的摩擦压力机作为锻造设备。摩擦压力机模锻吨位公式[5]为：

式中：P——摩擦压力机的公称压力，N；

α——与锻模形式有关的系数，对于开式锻模α=4；对于闭式锻模 α=5；

F——锻件在平面图上的投影面积（开式模锻时包括飞边桥部面积），mm2；

V——锻件体积，mm3；

σs——终锻时，金属的流动极限，N/mm2。

F=42252mm2；V=1460100mm3；σs=29MPa（1200℃时对应的金属的流动极限）。将上数值代入式（1）得到支重轮半体的模锻吨位为12718kN，选用1600t摩擦压力机。该计算吨位与数值模拟的结果相差5.8%，比较吻合。

3.2 模具设计

终锻模膛按热锻件图制造。取热锻件冷却时的收缩率为1.5%，模具图如图5所示。采用圆锁扣做为导向装置。因该锻件的内孔较深，锻打坯料成形时冲头所承受的力量很大且与坯料接触的时间最长，是最易磨损变形的部位，所以将其做成活动式的镶块结构，利于模具的维修加工同时降低维修成本。为使终锻毛坯留在下模内，将上模的拔模斜度设计为5°，下模的拔模斜度设计为1°。下冲头与顶料杆连接，终锻完成后，将终锻毛坯从下模内顶出。

图5 终锻模具图

4 工艺验证

模具采用压块压紧，因上下模有圆锁扣作为导向装置，所以安装调试方便。模具在使用前用加热圈预热到300℃左右，采用接触式测温仪进行测温。

根据有限元数值模拟结果，确定坯料的尺寸为ø120×184mm。采用锯切下料，保证端面平整且无毛刺。采用中频感应加热炉进行加热，始锻温度为1250℃，目测保证。生产过程中，采用高压风吹冷上下模膛，同时吹掉氧化皮等杂物，然后采用喷雾冷却法快速冷却模膛，最终在上下模膛和冲头工作表面涂抹1∶20水基石墨润滑剂为锻打下一件做好准备。进行了小批量生产，对100件支重轮半体进行尺寸和外观质量检查，产品合格率达到100%。图6所示为锻件实物照片，从照片可以看出，模锻件外形饱满，表面光滑，轮廓清晰。