挖掘機斗齒精密輥鍛制坯與成形工藝研究

文／李偉·邢臺威力汽車零部件有限公司

本文以某型號斗齒為研究對象，通過對產品結構進行分析，提出了精密輥鍛制坯-整體模鍛的鍛造工藝。采用有限元數值模擬軟件對輥鍛制坯與模鍛過程進行研究，分析了變形過程中金屬流動、成形載荷，驗證了精密輥鍛制坯-整體模鍛工藝的可行性。

基礎設施建設是當前國內經濟發展的一個重要支撐，基礎設施建設的發展對相關裝備制造的要求也越來越高。挖掘機斗齒是基礎設施建設裝備中的一個重要零件，也是易損件。斗齒形狀復雜，截面變化較大，傳統制造往往采用鑄造工藝進行生產，由于鑄件容易出現疏松、不耐磨、韌性差等問題，鑄造斗齒的壽命成為施工效率與成本的一個重要影響因素。近年來，隨著自動輥鍛機的大量應用，鍛壓工藝與技術也得到了相應的發展進步，采用輥鍛機進行精密輥鍛制坯，然后采用壓力機進行模鍛，可以實現對斗齒的鍛造生產。

本文以某型號斗齒為例，通過對產品結構與鍛模結構進行分析，提出了精密輥鍛—整體模鍛斗齒鍛造成形工藝，不僅對輥鍛模進行了設計，還對輥鍛與模鍛過程進行了數值模擬分析。通過對成形過程的數值模擬分析，驗證了精密輥鍛—整體模鍛斗齒成形工藝方案的可行性。

斗齒鍛造成形工藝分析

圖1 為斗齒鍛件示意圖，鍛件質量21.5kg，材料為42CrMo。斗齒整體截面變化較為劇烈，即鍛件銷座位置截面較大，齒尖部位截面很小。由于該件銷座孔需要鍛造成形出來，因此該工件只能采用立鍛的方式進行生產。由于該鍛件齒尖部位截面積很小，在鍛造成形時金屬往下方尖角流動十分困難。按照金屬流動規律，鍛造成形時金屬會向阻力最小的區域流動，完全依靠立鍛來實現尖角充滿是不現實的，因此需要考慮制坯時將尖角處所需金屬坯料提前預留出來。輥鍛制坯可以實現將毛坯拔長，如果拔長道次足夠多，理論上可以拔長的很細。近年來，由于自動化程度的提高，越來越多的企業開始購買自動化輥鍛機代替傳統的空氣錘來進行制坯。因此，本設計采用了φ560mm 自動輥鍛機來制坯，2500t 電動螺旋壓力機進行終鍛。

圖1 斗齒鍛件示意圖

由于輥鍛機為制坯設備，在輥鍛時一般制坯要求比較粗糙，而斗齒下半部截面為十字形，在立鍛時如果毛坯尺寸過于粗糙，毛坯將很難放置到型腔中，同時也會增加成形時模具的磨損；在成形時，斗齒上半部分截面較為寬大，同時由于銷座孔的鍛出設計，該處在立鍛時可以依靠凸出的上模來改善金屬流動，因此上半部分可以簡化設計，結合輥鍛制坯工藝特點，可以將該部分保留原始棒料尺寸；為減少輥鍛制坯時輥鍛道次，同時保證立鍛時毛坯在終鍛型腔中擺放平穩，并且不能出現鐓粗失穩，本設計選取原始棒料直徑為100mm。綜上，初步設計輥鍛毛坯示意圖如圖2 所示。

圖2 斗齒輥鍛毛坯示意圖

從圖2 可以看出，未變形圓鋼部位高度仍然偏高，其高度為230mm，其高徑比為2.3，雖然未超過2.5，但由于其底部為上大下小的錐形結構，并且沖頭直徑為106mm，明顯采用直徑100mm 的圓鋼直接進行鐓粗并不合理。因此需要在終鍛前增加一道鐓頭工序，將頭部鐓粗成矮而粗的形狀。該工序不僅能增加終鍛時坯料擺放的穩定性，也能使得下部金屬更好地向型腔里流動，從而使得終鍛時能夠更加順利地充滿型腔。

斗齒輥鍛模具設計

輥鍛道次的選取

從圖2 可以看出，雖然斗齒整體截面變化較為劇烈，但變化最為劇烈的地方是斗齒的尖部，斗齒中間及上部變化并不是很大，并且其截面均為十字形。圖3 中斗齒中部特征截面積為3320mm2，而原始棒料截面積為7853mm2，可根據式(1)計算輥鍛道次。

圖3 特征截面示意圖

輥鍛道次根據最小截面處選取，根據輥鍛件毛坯圖首先計算出該區段總延伸系數λZ：

式中，A0為原始坯料截面積，AN為輥鍛后坯料截面積。輥鍛道次n 按下式計算：

式中，λP為平均延伸系數，取值為1.6，所以n=1.82，取整后n=2。

按照正常設計理論，采用兩道次輥鍛，且第二道次型槽截面為圓形，因此選用橢圓—圓形槽系。但是斗齒的輥鍛為典型的精密成形輥鍛，不能完全按照一般制坯輥鍛工序來設計。

首先該毛坯小頭部拔長系數過高，且該制坯為單頭變截面拔長，金屬坯料在輥鍛制坯時可以很容易往小頭部流動；并且該輥鍛件的截面為十字形截面，并非傳統的橢圓、方形或圓形截面。因此，需在兩道次制坯輥鍛之后增加一道整形工序，即采用三道次輥鍛制坯。

輥鍛型槽系的確定

合理的孔型設計是輥鍛制坯成功的保證，制坯過程中不允許出現飛邊、失穩、刮料等缺陷。本設計中由于小頭部拔長系數較高，為提高拔長效率，可將橢圓—圓形孔型進行一個改進，改為橢圓—橢圓孔型。根據等體積原理，采用反推法由第三道次輥鍛件截面反推出第二道輥鍛件截面，再由第二道輥鍛件截面反推出第一道輥鍛件截面，查表可確定第三、二、一道次型槽截面尺寸，分別如圖4、5、6所示。

圖4 第三道次模具孔型截面

圖5 第二道次模具孔型截面

圖6 第一道次模具孔型截面

輥鍛模具圖

可根據輥鍛件的形狀來設計各道次輥鍛模具。模具型腔尺寸較為簡單，將毛坯截面尺寸轉化到對應的輥鍛模扇形曲面上，由于該制坯為典型前壁成形，要考慮合適的前滑系數。在繪制該輥鍛模時，可根據鍛件的截面形狀選取特征孔型，本設計特征孔型為橢圓形截面與十字形截面，該截面在扇形模具上沿脊線均勻過渡。根據上述設計要點，繪制各道次輥鍛模具圖，如圖7 所示。為降低下料尺寸不準確造成的輥鍛件在長度方向出現飛邊，將在輥鍛模具尾端做一個容料倉。

圖7 各道次輥鍛模具圖

斗齒精密輥鍛-整體模鍛有限元數值模擬

精密輥鍛數值模擬

將上述建立的幾何模型導入到有限元數值模擬軟件中，根據輥鍛機的實際轉速設定輥鍛模的轉動與速度約束，同時將毛坯導入有限元數值模擬軟件，設定好坯料、模具溫度及材料并劃分網格，設置相應邊界條件，建立如圖8 所示有限元數值模型。

圖8 精密輥鍛有限元數值模型

在一道次輥鍛結束后，將毛坯旋轉90 度放入到下一道模具中進行輥鍛，各道次輥鍛成形模擬結果如圖9 所示。從圖9 中可以明顯看出，第三道輥鍛時其截面形狀基本符合設計要求，坯料得到了合理分配，同時，并未出現飛邊、刮料、失穩等現象；但由于輥鍛過程為非全封閉型腔，金屬在孔型垂直方向可以自由流動，因此其最終形狀不可能完全符合輥鍛型腔尺寸。

圖9 輥鍛成形圖

輥鍛成形扭矩分別為第一道次80kNm、第二道次42kNm、第三道次18kNm，其扭矩小于本設計所選取的φ560mm 自動輥鍛機，滿足設計要求。第一道次輥鍛扭矩最大，是因為第一道次為圓鋼展寬，其在水平方向投影面積最大，因此其成形扭矩最大；第二道次為旋轉90 度后輥鍛，此時毛坯進入型腔中部高而窄區域，水平方向投影面積??；第三道次為精整輥鍛，此時毛坯幾乎不再拔長，其壓下量較小，因此成形扭矩最小。

整體模鍛數值模擬

將輥鍛的數值模型導出，放置到鐓頭及終鍛模具中建立鐓粗、終鍛有限元數值模型，如圖10 所示。從圖10 中可以看出，輥鍛件形狀基本符合設計要求，能順利放置到鐓頭及終鍛型腔中，進一步驗證了輥鍛設計的可行性。

圖10 鐓頭、終鍛有限元模型

鐓頭、終鍛成形效果如圖11 所示，在鐓頭時下模與終鍛時下模型腔尺寸相同。從圖11 中可以看出，鐓頭壓力較小，僅221t，并且在鐓頭時毛坯下部金屬基本未發生流動，金屬的流動發生在大頭部。終鍛成形載荷為2750t，本設計采用2500t 電動螺旋壓力機進行生產，該壓力機允許載荷能滿足要求。終鍛時型腔完全充滿，材料利用率高達92%，未產生折疊、刮料等缺陷，飛邊較小且分布均勻，進一步驗證了工藝設計的可行性。

圖11 鐓頭、終鍛成形圖

結論

通過對斗齒進行結構分析，提出了精密輥鍛—整體模鍛的成形工藝，并進行了相關工藝設計，材料利用率為92%，且在現有φ560mm 自動輥鍛機及2500t 電動螺旋壓力機上可順利成形，從而為同類型斗齒提供了一種全新的設計思路，對斗齒鑄改鍛工藝具有一定的借鑒意義。