支重轮精锻工艺研究及模具设计

2014-10-10张新东张开举山推工程机械股份有限公司履带底盘事业部

锻造与冲压 2014年1期

文／张新东，张开举·山推工程机械股份有限公司履带底盘事业部

支重轮精锻工艺研究及模具设计

文／张新东，张开举·山推工程机械股份有限公司履带底盘事业部

支重轮作为挖掘机与推土机底盘件四轮一带中的一轮，其主要作用是支撑挖掘机与推土机整机重量，让履带轨面沿着轮子前进。目前该锻件年市场需求量大，约200万件左右，属于底盘件中的易损件。因其工作时受力较大，故需具备较高的综合机械性能，其毛坯需要采用锻造成形。如图1所示，每个支重轮由左、右两个半轮锻件焊合而成。根据其工作时的使用状况，外表面和两端面锻造后允许不加工，只在内孔进行后续机械加工即可。

图1 支重轮

该支重轮锻件的传统锻造工艺方法为：使用空气锤镦粗压扁，再在摩擦压力机上终锻成形(有的品种需要进行两次打击），所得到的锻造毛坯精度低、表面质量差，因此轮体锻件的内、外表面需保留很大的加工余量，并在后续机加工时车削掉，材料利用率低，且车削加工工时多，不符合目前节能降耗、可持续发展的工业发展要求。鉴于此，本文提出了采用支重轮精锻工艺代替普通锻造工艺，以提高支重轮锻造毛坯的精度，减少后续机加工工时，提高材料的综合利用率和市场竞争力，以此达到降本增效的目的。

支重轮精锻工艺介绍

支重轮材料为40Mn2，是一种中碳合金钢，该零件的形状特点是：高轮毂且存在深孔与凸缘，零件外形直径落差大，壁厚较薄，金属流动较为困难。根据现有设备特点，决定采用开式精密热模锻成形方法，以降低变形抗力。根据支重轮结构形状及精锻工艺特点，确定轮体的外表面直接精锻成形而不再留加工余量，只在内孔部位留少许加工余量，从而使材料利用率和生产效率得到显著提高。

采用的锻造生产线是德国米勒·万家顿的PSH4450型全自动电动螺旋压力机锻造线(图2），该生产线实现了无人化操作，生产效率高，质量稳定，主要工艺流程介绍如下：

⑴棒料上料。原材料使用自动上料机进行上料，减轻了操作人员的劳动强度。

⑵棒料中频感应加热(图3）。加热温度控制在(1200±30）℃，炉口安装有红外线测温装置和温度三分选机构。

图2 PSH4450型全自动电动螺旋压力机锻造线

图3 中频感应加热

⑶PSH4450型电动螺旋压力机锻造。在压力机上布置3个工步成形，即镦粗、预锻、终锻。棒料镦粗工序主要是去除棒料表面氧化皮，镦粗至合适的高度并在预锻型腔中能够准确定位。轮体精锻工艺中预锻型腔的设计非常重要，其主要作用是实现轮体预成形，承担了60%左右的变形量，减少了终锻型腔的磨损，显著提高了终锻模具的使用寿命。终锻模起最终成形的作用，在踏面处型腔拔模斜度设计为1°，在模具上需要有上、下顶料机构以保证顺利脱模，终锻过程如图4所示。因锻造工作环境恶劣，采用机器人自动喷雾润滑冷却。

图4 终锻成形

⑷400t曲柄压力机切边、冲孔。使用复合模具一次性完成切边、冲孔(图5），上模卸料采用碟形弹簧，下顶料采用液压式，便于机器人准确抓取锻件。这大大提高了生产效率，减少了设备和模具及操作人员的数量，降低了生产成本，锻件的质量也能得到保证。

图5 切边、冲孔

支重轮精锻模具结构设计

传统支重轮的锻造模具存在以下弊端：⑴终锻模具使用寿命低，锻造支重轮1000～2000件后，模具老化严重，锻件表面质量低，需更换模具。⑵老化后的模具进行堆焊修复后翻新使用，需消耗大量焊材，焊接工艺复杂，模块在炉加热时间约40h，且堆焊后的模具加工困难，模具成本大幅增加。因此在支重轮精锻模具结构设计中，迫切需要解决这些弊端，以达到降低模具成本及能耗、提高模具寿命的目标。

如图6所示为支重轮精锻模具结构简图，模具材料选用H13，此种材料具有良好的韧性、强度、耐磨性和淬透性，在室温和500～600℃时的力学性能几乎相同，适合制造各种形状复杂、冲击载荷大的锻造模具。

该轮体预锻及终锻模具均采用组合镶块式结构。其上、下模均由型芯镶块和模块本体镶嵌构成，上、下模固定在带有承击面的模座上，锻造过程中主要依靠上、下模座的承击面闭合来保证锻件尺寸精度，而上、下模并不直接接触。在生产过程中终锻模具型腔内压力减少，从而显著降低了模具型腔内部的老化程度，模具寿命一般为5000～6000件，是原来的3倍。其次，组合镶块式模具结构使得模具外形减小，且老化后只需直接进行降面数控加工翻新，翻新修复过程大大简化，相比于传统模具的堆焊修复工艺来说，耗时短、加工简单，且无需气刨、保温、堆焊、回火等工艺。