截齒齒套閉塞式鍛造成形工藝仿真研究

文／閆中原，王召宇，宋宇軒，范佳寧，薛克敏·合肥工業大學

截齒是采煤機和掘進機的直接切割刀具，工作條件非常惡劣。在使用過程中，截齒會受到煤層或巖石的摩擦和沖擊作用，其失效形式為頭部齒體磨損過快導致合金頭脫落，或者是齒體抗彎性能差，在受強力作用下彎曲或折斷。齒套作為截齒頭和大鉆頭的連接部位，其力學性能受到了巨大挑戰。傳統回轉體型復雜零件的制造多采用鑄造和車削的方法，車削加工后的材料力學性能與鑄態的基本一致，因此難以滿足復雜服役環境的使用要求。

近年來，基于鍛件優良性能考慮，大型零件的生產越來越趨向于采用鍛造的方法。現階段，截齒齒套鍛造工藝路線如圖1 所示，該工藝需要兩步成形，工藝過程較多，不滿足節能環保的要求，因此需要優化工藝。本文采取閉塞式鍛造(圖2)工藝，與普通模鍛相比，閉塞式鍛造可以成形出復雜形狀的鍛件，且成形過程中坯料處于強烈的三向壓應力狀態，可以充分發揮其塑性，這對鍛造低塑性難變形合金尤為重要。此外閉塞式鍛造生產效率高，減少了切削加工，金屬流線沿鍛件外形連續分布，纖維不被切斷，鍛件的力學性能明顯提高。本文采用Deform-3D 有限元軟件對某截齒齒套傳統鍛造工藝與閉塞式鍛造工藝進行模擬分析，研究截齒齒套閉塞式鍛造的成形特點。

圖1 傳統鍛造工藝路線

圖2 一步成形法工藝路線

研究方案

鍛件的確定

圖3所示為使用UG建立的截齒齒套三維鍛件圖，該鍛件外形為圓柱形孔件，其中最小孔徑為33mm，最大直徑為90mm，總長為137mm。模鍛不能直接鍛出通孔，必須在孔內保留一層稱之為連皮的金屬。沖去連皮后，才得到通孔。此鍛件的沖孔直徑為33mm，屬于中等孔徑(30mm＜d＜60mm)鍛件，而中等孔徑鍛件通常采用平底連皮，連皮厚度推薦為，其中，系數(5 ～7.5)按h/d 確定，當h/d=0.5 時取5，h/d 接近1 時取7.5。為防止坯料高徑比過大造成失穩，選擇圓柱形坯料的高徑比h/d 為1.5，最終確定坯料的尺寸為φ57mm×116mm。

圖3 截齒齒套鍛件三維模型

有限元模型的建立

根據齒套的結構特點，設計了傳統截齒齒套成形(即頂鐓后反擠的成形方案)和閉塞式鍛造兩種不同的工藝方案，在相同參數下，研究截齒齒套在不同工藝下的成形特點，其三維模型如圖4 所示。

圖4 不同工藝下的三維模型

采用三維造型軟件建立模具的三維幾何模型，導出STL 格式的文件，并導入到Deform-3D 中，坯料的材料為42CrMo，由于該材料具有強度高、韌性高、變形抗力大等特點，難以進行冷鍛成形，因此需要對坯料進行加熱。采用剪切摩擦模型，摩擦系數選取0.3，沖頭的進給速度設為10mm/s，熱傳導系數設為11W/(m2·℃)，模具溫度設為400℃，坯料溫度設為1000℃，坯料劃分網格數為150000 個，模具劃分網格數為32000 個。

模擬結果

頂鐓+反擠的成形特點

首先對頂鐓成形后的變形進行分析，從圖5 中可以觀察到，等效應變較大的區域主要集中在截齒的凸臺位置，這說明變形量大的區域也集中在凸臺處；當金屬流動到凸臺側壁時，由于流動受阻，金屬若繼續流動則需要較大的流動速度，如圖5(c)所示，金屬流動速度最大的區域集中在金屬流動受阻的位置即凸臺側壁及凸起處，而其他位置的金屬流速則基本相同。在凸臺側壁處，由于金屬流動受阻及坯料上表面沖頭壓應力的作用，致使此區域的等效應力較大。此外，由載荷行程圖[圖5(d)]可知，當沖頭行程到達28mm 左右時，由于凸臺上方的凸起小且復雜，所以在較小的行程中載荷急劇增加，最大的成形載荷為573t。

圖5 頂鐓的成形效果圖

圖6 所示為頂鐓后反擠成形效果圖。從圖6 中可以發現，等效應變較大的區域主要集中在截齒的凸起以及縮徑過渡區，這說明變形量大的區域也集中在這些區域；沖頭下壓反擠坯料使金屬向上流動，在壓應力的作用下，凸臺側壁與凸起處等效應力增大，金屬繼續向上流動到達縮徑過渡區即行程為36mm左右時，金屬流動的阻力增大進而所需載荷也迅速增大，隨著沖頭的進一步下移以及坯料金屬流動的不均勻，導致載荷在后續成形過程中上下波動，其載荷最大值為521t。

圖6 頂鐓后反擠的成形效果圖

結合傳統的成形工藝(頂鐓+反擠)路線，得出結論：頂鐓成形時，應力主要集中在凸臺與凸臺上的凸起位置，且在成形凸起時，成形載荷會在較短的行程中快速增加；反擠成形時，應力主要集中在凸臺、凸起以及縮徑過渡區，其中在沖頭下壓使坯料通過縮徑過渡區時，載荷迅速增加，且由于金屬流動的不均勻性，導致載荷值呈振蕩趨勢，整個成形過程的最大載荷為573t。

閉塞式鍛造的成形特點

圖7 所示為閉塞式鍛造成形效果圖。不同于傳統的成形工藝，在相同的參數條件下，閉塞式鍛造成形后的鍛件等效應變最大區域主要集中在縮徑過渡區(此處的應變量也較大)，而其他位置的等效應變基本一致；等效應力分布比較均勻，不會產生應力集中的現象，避免了鍛件缺陷的產生，且金屬流速相對較均勻，上下沖頭在進給成形過程中所需載荷相對較小，成形載荷最大值為372t。

圖7 閉塞式鍛造的成形效果圖

此外，當閉塞式鍛造成形結束后，坯料與模具的接觸較好，即金屬能較好的填充型腔，未見到充填不足、折疊等缺陷(圖8)，而且在等效應力集中的區域(凸臺、凸起和縮徑過渡區)成形效果良好。

圖8 坯料與模具的接觸關系圖

結合對閉塞式擠壓成形截齒齒套的分析，可以得出結論：在相同的工藝參數下，閉塞式鍛造成形截齒齒套質量較好，金屬充填型腔較為完整且成形載荷較低為372t。

結束語

通過對截齒齒套的傳統成形工藝和閉塞式鍛造工藝進行有限元模擬，對變形過程中的等效應變、等效應力、金屬流動速度及沖頭載荷進行了對比分析，獲得了截齒齒套在不同工藝下的成形規律，最后發現在相同的成形參數條件下，閉塞式鍛造成形后的截齒齒套質量較好，金屬充填型腔較為完整且成形載荷值比傳統工藝低201t。