截齿齿套闭塞式锻造成形工艺仿真研究
文／闫中原，王召宇，宋宇轩，范佳宁，薛克敏 · 合肥工业大学
截齿是采煤机和掘进机的直接切割刀具，工作条件非常恶劣。在使用过程中，截齿会受到煤层或岩石的摩擦和冲击作用，其失效形式为头部齿体磨损过快导致合金头脱落，或者是齿体抗弯性能差，在受强力作用下弯曲或折断。齿套作为截齿头和大钻头的连接部位，其力学性能受到了巨大挑战。传统回转体型复杂零件的制造多采用铸造和车削的方法，车削加工后的材料力学性能与铸态的基本一致，因此难以满足复杂服役环境的使用要求。
近年来，基于锻件优良性能考虑，大型零件的生产越来越趋向于采用锻造的方法。现阶段，截齿齿套锻造工艺路线如图1 所示，该工艺需要两步成形，工艺过程较多，不满足节能环保的要求，因此需要优化工艺。本文采取闭塞式锻造(图2)工艺，与普通模锻相比，闭塞式锻造可以成形出复杂形状的锻件，且成形过程中坯料处于强烈的三向压应力状态，可以充分发挥其塑性，这对锻造低塑性难变形合金尤为重要。此外闭塞式锻造生产效率高，减少了切削加工，金属流线沿锻件外形连续分布，纤维不被切断，锻件的力学性能明显提高。本文采用Deform-3D 有限元软件对某截齿齿套传统锻造工艺与闭塞式锻造工艺进行模拟分析金属流线眼镜，研究截齿齿套闭塞式锻造的成形特点。
图1 传统锻造工艺路线
研究方案
锻件的确定
图3所示为使用UG建立的截齿齿套三维锻件图，该锻件外形为圆柱形孔件，其中最小孔径为33mm，最大直径为90mm，总长为137mm。模锻不能直接锻出通孔，必须在孔内保留一层称之为连皮的金属。冲去连皮后，才得到通孔。此锻件的冲孔直径为33mm，属于中等孔径(30mm＜d＜60mm)锻件，而中等孔径锻件通常采用平底连皮，连皮厚度推荐为，其中，系数(5 ～7.5)按h/d 确定，当h/d=0.5 时取5，h/d 接近1 时取7.5。为防止坯料高径比过大造成失稳，选择圆柱形坯料的高径比h/d 为1.5，最终确定坯料的尺寸为φ57mm×116mm。
图3 截齿齿套锻件三维模型
有限元模型的建立
根据齿套的结构特点，设计了传统截齿齿套成形(即顶镦后反挤的成形方案)和闭塞式锻造两种不同的工艺方案，在相同参数下，研究截齿齿套在不同工艺下的成形特点，其三维模型如图4 所示。
图4 不同工艺下的三维模型
采用三维造型软件建立模具的三维几何模型金属流线眼镜，导出STL 格式的文件，并导入到Deform-3D 中，坯料的材料为42CrMo，由于该材料具有强度高、韧性高、变形抗力大等特点，难以进行冷锻成形，因此需要对坯料进行加热。采用剪切摩擦模型，摩擦系数选取0.3，冲头的进给速度设为10mm/s，热传导系数设为11W/(m2·℃)，模具温度设为400℃，坯料温度设为1000℃，坯料划分网格数为150000 个，模具划分网格数为32000 个。
模拟结果
顶镦+反挤的成形特点
首先对顶镦成形后的变形进行分析，从图5 中可以观察到，等效应变较大的区域主要集中在截齿的凸台位置，这说明变形量大的区域也集中在凸台处；当金属流动到凸台侧壁时，由于流动受阻，金属若继续流动则需要较大的流动速度，如图5(c)所示，金属流动速度最大的区域集中在金属流动受阻的位置即凸台侧壁及凸起处，而其他位置的金属流速则基本相同。在凸台侧壁处，由于金属流动受阻及坯料上表面冲头压应力的作用，致使此区域的等效应力较大。此外，由载荷行程图[图5(d)]可知，当冲头行程到达28mm 左右时，由于凸台上方的凸起小且复杂，所以在较小的行程中载荷急剧增加，最大的成形载荷为573t。
图5 顶镦的成形效果图
图6 所示为顶镦后反挤成形效果图。从图6 中可以发现，等效应变较大的区域主要集中在截齿的凸起以及缩径过渡区，这说明变形量大的区域也集中在这些区域；冲头下压反挤坯料使金属向上流动，在压应力的作用下，凸台侧壁与凸起处等效应力增大，金属继续向上流动到达缩径过渡区即行程为36mm左右时，金属流动的阻力增大进而所需载荷也迅速增大，随着冲头的进一步下移以及坯料金属流动的不均匀，导致载荷在后续成形过程中上下波动，其载荷最大值为521t。
图6 顶镦后反挤的成形效果图
结合传统的成形工艺(顶镦+反挤)路线，得出结论：顶镦成形时，应力主要集中在凸台与凸台上的凸起位置，且在成形凸起时，成形载荷会在较短的行程中快速增加；反挤成形时，应力主要集中在凸台、凸起以及缩径过渡区，其中在冲头下压使坯料通过缩径过渡区时，载荷迅速增加，且由于金属流动的不均匀性，导致载荷值呈振荡趋势，整个成形过程的最大载荷为573t。
闭塞式锻造的成形特点
图7 所示为闭塞式锻造成形效果图。不同于传统的成形工艺，在相同的参数条件下，闭塞式锻造成形后的锻件等效应变最大区域主要集中在缩径过渡区(此处的应变量也较大)，而其他位置的等效应变基本一致；等效应力分布比较均匀，不会产生应力集中的现象，避免了锻件缺陷的产生，且金属流速相对较均匀，上下冲头在进给成形过程中所需载荷相对较小，成形载荷最大值为372t。
此外，当闭塞式锻造成形结束后，坯料与模具的接触较好，即金属能较好的填充型腔，未见到充填不足、折叠等缺陷(图8)，而且在等效应力集中的区域(凸台、凸起和缩径过渡区)成形效果良好。
图8 坯料与模具的接触关系图
结合对闭塞式挤压成形截齿齿套的分析，可以得出结论：在相同的工艺参数下，闭塞式锻造成形截齿齿套质量较好，金属充填型腔较为完整且成形载荷较低为372t。
结束语
通过对截齿齿套的传统成形工艺和闭塞式锻造工艺进行有限元模拟，对变形过程中的等效应变、等效应力、金属流动速度及冲头载荷进行了对比分析，获得了截齿齿套在不同工艺下的成形规律，最后发现在相同的成形参数条件下，闭塞式锻造成形后的截齿齿套质量较好，金属充填型腔较为完整且成形载荷值比传统工艺低201t。