采煤机齿轮件锻造模具设计

2014-07-01侯军张宽杨宁王超

机械工程师 2014年5期

关键词：倒角摇臂圆角

侯军，张宽，杨宁，王超

（西安煤矿机械有限公司，西安710032）

采煤机齿轮件锻造模具设计

侯军，张宽，杨宁，王超

（西安煤矿机械有限公司，西安710032）

针对采煤机左摇臂传动用齿轮件的结构，材质，组织状态等基本参数的分析，对齿轮锻造成型模具进行了整体结构设计，着重考虑了变形应力对齿轮材料性能的影响，通过跟踪分析及尝试试验，选择最合适的圆弧倒角过渡尺寸，保证了齿轮零件的成型尺寸，降低了弯角处的应力集中现象。最终实现了产品质量的合格和稳定。

齿轮；锻造；模具设计：应力集中

0 引言

我公司是生产煤炭采掘机械的重点企业，产品远销国内外，随着能源的重要性日益突出，公司对产品的质量也提出了更高的要求。公司生产采煤机各机型的左右摇臂，其中装有行星减速机构，由于矿井工作环境恶劣，齿轮经常承受过载及非常大的冲击载荷，易损坏，为保证生产，需迅速生产齿轮易损件，而一个使用效果好、寿命长的锻造模具就显得尤为重要。

1 齿轮结构分析

图1 齿轮

齿轮材料为18Cr2Ni4WA，此材料是一种高强度、高韧性、高淬透性的合金渗碳钢，常用于制作采煤机的重负荷和耐磨齿轮。该齿轮在采煤机摇臂中起重要传动作用，如图1所示。

摇臂所用齿轮件的外形结构形状复杂，同时外圆横断面进行了收缩，对锻造加工造成了一定的影响。

2 模具结构设计

考虑到齿轮件材料是通过模具挤压成型，为此设计了一个封闭模型的结构，包括上盖、外套、下垫。由于齿轮零件规范对称，上盖和下垫采用相同的形状尺寸设计，如图2、图3所示。

图2 上、下盖

图3 外套

2.1 材料要求

根据综合考虑，材料选择为5CrMnMo，该材料为热作模具钢，适于制作边长小于500 mm的中型锤锻模。材料成分如表1。

表15 CrMnMo成分质量分数%

2.2 壁厚要求

在锻造过程中时刻承受着锻锤的击打，模具时刻承受着冲击功，我们要求模具吸收的动能小于产生裂纹所需的能量，经过大量工装模具的使用经验验证：直径小于φ400 mm，外套最薄处壁厚要求35 mm以上，直径大于φ400 mm，外套最薄处壁厚要求40 mm以上，这样可以保证工具的使用率达到10次以上。本例中壁厚尺寸选取了40 mm。

2.3 倒角及圆角要求

在锻造过程中，尖角处应力集中，极容易变形开裂，导致整个零件报废，所以要在圆角处以适当的倒角过渡，由于每个零件截面变化大小不一，对于倒角尺寸的选择必须慎之又慎，我们曾选用R8圆角，在实际使用过程中，圆角处磨损严重，还出现零件拐角处应力集中现象，经过摸索实践，确定出R10圆角为合适尺寸。

2.4 拔模斜度

模具在设计过程中要留有拔模斜度。拔模斜度与零件材料、模具粗糙度、热胀冷缩系数等有关，一般情况拔模斜度选取3°～5°。特殊零件结构根据形状和实际要求可适当增加。本例通过三角函数计算公式得出零件尺寸如图2所示。

2.5 粗糙度要求

模具对零件进行挤压变形时，表面粗糙度对加热零件的流动性影响极大，要求与零件直接接触面的表面粗糙度为Ra3.2。以保证零件的冲型能力良好。非重要加工面要求为Ra12.5。外套外表面与机械手钳口接触，可以不加工，对表面粗糙度不做要求。

2.6 零件的机械加工精度

零件表面粗糙度低于Ra1.6，机械加工余量从国标GB/T 12362-2003中查得，粗糙度高于Ra1.6，加工余量要适当加大，对在锻件相邻部位截面变化较大的零件，在高度方向适当加大局部余量。本例中单边余量为0.2 mm。

经过总体的设计规划，锻造工装装配图如图4。