花瓣形截齿的冷锻成形工艺研究

宋银生

(江苏大洋精锻有限公司，江苏 盐城224100）

截齿是采掘机械切割煤和岩石的刀具，主要由合金结构钢的齿体和焊接在齿体头部的硬质合金组成，工作时承受载荷较大且不均匀，极易发生折断[1，2]。采用冷锻成形，金属内部的晶粒均匀细小，流线得以保留，利于提高锻件的强度[3]，可以有效提高截齿的寿命，改善采掘机械的生产效率。花瓣形截齿主要采用温锻成形工艺或多道分步冷锻成形工艺，制造周期较长，成本较高。本文以凹筋和凸筋两种花瓣形截齿为例，通过有限元模拟分析凹筋形花瓣截齿的分步锻造成形工艺和凸筋形花瓣截齿一次锻造成形工艺，设计出合理的冷锻模具结构，完成批量生产。

1 选材及成形工艺

图1a所示为凹筋形花瓣形截齿的零件图，分步锻造成形工艺设计成图1b的锻件图。图2a所示为凸筋花瓣截齿的零件图，采用一次成形工艺，设计成图2b所示的锻件图。冷锻后再对其头部和柄部机加工。

截齿的齿体材料决定了截齿的性能和使用寿命，选用具有较好的柔韧性和较高的强度的材料，才能减小产生断裂的几率[4]。常用的Cr-Mo系、Mn-B 系等截齿材料中，42CrMo 强度高，淬透性、冲击韧性好，淬火时变形量小，在高温时能够持久地承受较高蠕变强度，经调质处理后，具有抗冲击能力强，低温冲击韧性高，疲劳极限强度高等优点[5，6]。本文选用42CrMo 为花瓣形截齿有限元模拟及批量生产的材料。

根据花瓣截齿的形状特点，成形的关键是花瓣的均匀性，及花瓣沟道的凹、凸筋饱满度。通常采用分步锻造成形，其工艺流程为：制坯-球化退火-磷皂化-正挤-球化退火-磷皂化-预成形-球化退火-磷皂化-成形-机加工。凹筋形花瓣截齿的工艺流程如图3所示。

图1 凹筋花瓣形截齿

图2 凸筋花瓣截齿

凸筋形花瓣截齿对分布锻造成形工艺进行优化，将预成形、成形两步工序合并，工艺流程为：制坯-球化退火-磷皂化-正挤-球化退火-磷皂化-成形-机加工，如图4所示。通过有限元模拟分别对以上两种工艺流程进行模拟分析。

2 模拟结果分析

对花瓣截齿的锻造成形工艺进行三维有限元模拟，材料模型中的材料选用软件中的DIN42CrMo4（20℃-1200℃），温度设置为20℃。凹筋花瓣截齿的成形工序模拟过程的应力分布见图5。从图中可以看出，应力均匀分布在花瓣处，材料向下流动均匀，并出现飞边，六个凹筋花瓣形状均匀且饱满。

图5 中的成形挤压过程的载荷与行程曲线，整个过程载荷不断增大，在花瓣成形终了时载荷增长速率较大，最大载荷为583 t，可以选用800 t油压机。

图3 分步锻造成形工艺

图4 一次锻造成形工艺

根据以上分步锻造成形工艺模拟参数，对一次成形工艺进行有限元模拟的应力分步见图6，由于取消了预成形工序，应力均匀分布在花瓣截齿头部及六个花瓣处，形状均匀饱满，产品无缺陷产生，在成形过程应力分布均匀，产品也未发生失稳。

从一次成形过程的载荷与行程曲线可以看出，整个成形过程载荷持续变大，载荷增长速率也较大，最大载荷为527 t，选用630 t 油压机。

图5 分布成形模拟过程

3 成形模具设计及生产试验

从有限元模拟的结果可知，凹筋形花瓣截齿通过分步锻造成形，凸筋形花瓣截齿可以将预成形与成形工序合并，一次锻造成形，凹筋和凸筋形截齿的成形模具设计见图7 和图8。

图6 一次成形模拟过程

从载荷曲线可以看出，成形过程载荷较大，毛坯及上下模承受的压力较大，故将上、下模设计成三层预应力结构，模芯材料选用65Nb，中圈材料选用H13，外圈材料选用40Cr。中圈和外圈可以作为通用件，针对不同的产品只需设计制造模芯的形状。

4 球化退火工艺优化

图7 凹筋形截齿成形模具示意图

图8 凸筋形截齿成形模具示意图

模具制造完成，按照设计的分步锻造和一次锻造成形工艺流程进行工艺生产试验，球化退火工艺采用750℃4h+680℃5h，42CrMo 材料在球化退火后的球化率为90%～100%，金相图如图9所示，最终成形获得的凹筋及凸筋花瓣截齿的六个花瓣均匀饱满，与三维有限元模拟的结果一致。

分析凹筋形花瓣截齿的分步锻造工艺，预成形工序是头部镦粗，成形工序通过上模下行充满型腔，仅六个花瓣材料向下流动，两工序成形的材料变形量较小，毛坯具有较小的球化率即可满足成形要求。通过对球化退火工艺进行优化，采用750℃2h+680℃3h的球化退火工艺，42CrMo的球化率约为70%～80%，金相图如图10所示。

对毛坯进行预成形、成形，成形后凹筋花瓣的形状和饱满度与原球化退火工艺成形花瓣的形状及饱满度无异，800 t 油压机能够满足产品要求。经批量生产的验证，预成形、成形的上、下模的模具寿命也与原球化退火工艺的寿命无差异。分步锻造成形的凹筋形花瓣截齿的成品如图11所示。

图9 42CrMo 球化组织 1000X

图10 42CrMo 球化组织 1000X

根据凹筋形花瓣截齿的生产经验，将优化后的球化退火工艺用于凸筋形花瓣截齿的一次成形，成形后凸筋花瓣的形状和饱满度与原球化退火工艺成形的无差异，说明将预成形和成形工序合并，使用优化后的球化退火工艺，可以满足锻造成形的要求。将该工艺使用于批量生产中，使用630 t 油压机，一次成形的产品稳定性和凸筋花瓣的形状、饱满度均能达到要求。一次成形的凸筋形花瓣截齿的毛坯如图12所示。

5 结论

图11 凹筋形花瓣截齿成品

选用42CrMo 材料，通过三维有限元模拟分析凹筋形花瓣形截齿的分步冷锻成形和凸筋形花瓣截齿的一次成形，结果显示成形工位材料流动均匀，花瓣形状饱满。凹筋形花瓣截齿模拟过程最大载荷为583 t，选用800 t 油压机；凸筋形花瓣截齿模拟过程最大载荷为527 t，选用630 t油压机，设计模具完成生产获得合格的锻件。

凸筋形花瓣截齿将预成形与成形工序合并，对于大批量生产，节约了模具材料，也极大的缩短了产品的制造周期。

图12 凸筋形花瓣截齿毛坯

采用750℃2h+680℃3h的球化退火工艺代替750℃4h+680℃5h 球化退火工艺，就可以满足花瓣截齿的成形，缩短了生产周期，节约电能。