王東風 ，王 偉 ，馬 進

（1.燕大恒遠高技術有限公司，河北 秦皇島 066006；2.燕山大學，河北 秦皇島 066004）

三刃型釬頭是在一字型釬頭的基礎上發(fā)展起來的，已經(jīng)成為一種廣泛應用于軟巖鑿進和高爐開口。相比一字或十字型釬頭，三刃型釬頭具有獨特的優(yōu)勢。三刃型釬頭比一字型釬頭具有更強的徑向耐磨蝕能力，還克服了十字型釬頭排巖屑間隙小、硬質(zhì)合金用量大的缺點[1]。 圖1 所示為三刃與十字型釬頭殼體的對比。

圖1 三刃與十字型釬頭殼體對比

溫擠壓成形技術是近年來在冷塑性成形基礎上迅速發(fā)展起來的一種塑性成形方法。兼具有熱成形和冷成形的特點，是一種少無切削加工工藝[2]。一字型釬頭的溫擠壓成形技術已經(jīng)十分成熟，秦皇島燕大恒遠高技術有限公司采用溫擠壓成形工藝，實現(xiàn)了一字型釬頭殼體的精密塑性加工，產(chǎn)品達到國際先進水平，填補了國內(nèi)的空白[3]。

三刃型釬頭截面形狀復雜，軸向投影面積大，導致模具結(jié)構復雜，成形設備噸位高等問題。尤其是三刃型釬頭為非軸對稱件，只能采用垂直合模，這就要求對脹模力進行合理的控制以實現(xiàn)溫擠壓成形。本文針對三刃型釬頭的特點，開發(fā)了一種溫擠壓成形工藝，解決了三刃型釬頭殼體精密塑性成形的關鍵問題。

1 三刃釬頭殼體溫擠壓成形工藝分析

傳統(tǒng)的三刃型等復雜形狀的釬頭生產(chǎn)方式是鍛造后進行機加工或者直接采用鑄造成形，這兩種加工方法都存在金屬流線被破壞、晶粒度較低、產(chǎn)品綜合機械性能差、材料利用率低、生產(chǎn)效率低等缺點。

通過溫擠壓成形工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸精度、 表面質(zhì)量接近于冷擠壓零件，又可以有效減少高溫成形時氧化和脫碳的影響，并且溫擠壓具有細化晶粒的效果，所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有良好的機械性能。

1.1 成形工藝方案

三刃型釬頭是在溫擠壓成形的釬頭殼體的基礎上精車外圓、 銑合金片槽、鉆中心水孔和側(cè)水孔、焊接合金片、熱處理、 表面處理等工序后加工得到的，所以溫擠壓成形的釬頭殼體要滿足后續(xù)加工的要求。如圖2 所示為本公司設計的一種釬頭殼體的形狀尺寸。

根據(jù)三刃型釬頭殼體結(jié)構形狀特點可知，溫擠壓成形的重點是內(nèi)部錐孔和殼體頭部的成形。 所以，可采用敦擠工藝，反擠錐孔的同時鐓擠出頭部三刃結(jié)構。

1.2 毛坯形狀及尺寸

三刃型釬頭的外形尺寸見圖2。選用φ42圓棒料，根據(jù)金屬塑性變形體積不變原理[4]，確定坯料長度為82 mm。毛坯形狀尺寸如圖3 所示。

通過后續(xù)的有限元分析和實驗驗證， 證明圓棒料完全滿足成形需要，這就大大簡化了下料、制坯的工序，并且有效節(jié)省了材料，提高了產(chǎn)品材料利用率。

2 三刃釬頭殼體溫擠壓成形數(shù)值模擬

通過對釬頭殼體結(jié)構分析，要解決溫成形后取件的問題凹模應設計為上、下兩個半模，即垂直合模結(jié)構，如圖4所示。

采用這種模具結(jié)構，成形時首先要使上、下凹模合模，并且保證成形過程中始終壓緊。這就要求不僅對成形力而且要對脹模力進行合理控制。

2.1 有限元模型

圖4 溫擠壓示意圖

根據(jù)產(chǎn)品要求和生產(chǎn)條件，建立有限元模型。 參數(shù)如下：材料40Cr；溫擠壓溫度900 ℃； 模具預熱溫度200 ℃；壓制速度50 mm/s；摩擦系數(shù)0.25。模擬軟件選用DEFORM-3D。

2.2 有限元模擬結(jié)果

通過DEFORM-3D 后處理功能對成形效果、成形力、脹模力等數(shù)據(jù)進行分析。 其成形效果如圖5 所示。

圖5 有限元模擬結(jié)果

圖 5 中，(a)為主視圖；(b)為殼體頭部成形效果；(c) 為底部錐孔成形效果；(d)為接觸點云。 通過接觸點云可知，有限元模擬的成形效果是比較理想的。

圖6 所示為有限元模擬溫擠壓過程的力-行程曲線。 初始階段成形力和脹模力逐漸增大， 凸模壓制至62 mm處時，成形力和脹模力均有小幅的跳動而后回升，成形接近終了時成形力急劇增加。 其中，最大成形力為1280 kN，最大脹模力為266 kN。

結(jié)合成形過程分析力-行程曲線。擠壓過程前期底部錐孔的反擠成形占主導地位， 當凸模壓制行程至62 mm處時，底部錐孔的成形完成，凸模與坯料完全接觸的瞬間成形力和脹模力發(fā)生小幅跳動。此后主要是釬頭殼體頭部的成形， 此階段初期金屬易于流入空腔， 所以成形力和脹模力有少許降低。隨著模腔的填充，力逐漸升高，接近成形終了時成形力急劇上升。

3 三刃釬頭殼體溫擠壓成形實驗

實驗設備為315 t 通用液壓機，頂出缸頂出力為400 kN， 拉緊力為200 kN。

根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，最大成形力為1280 kN，315 t 通用液壓機滿足要求。 但是最大脹模力為266 kN，而且考慮到有限元模擬與實際情況的偏差，脹模力有可能更大，這樣若想用頂出缸回程的拉緊力來克服脹模力就需要對壓力機進行改裝。本實驗不僅要有合理的模具設計而且要對315 t 通用液壓機進行改裝。

3.1 實驗模具設計

實驗模具如圖7 所示。 實驗時，通過頂出桿提供拉緊力，將上、下凹模緊固。合模后，將加熱好的坯料放入模腔，凸模在液壓機作用下壓制出工件。成形結(jié)束后，凸?；爻蹋敵鰲U頂出，將上、下凹模分離，即可取出工件。 這種模具設計結(jié)構簡單、易于裝配、可靠性高、動作簡單、生產(chǎn)效率高。

圖7 實驗模具

3.2 實驗設備改裝

試驗所用設備頂出缸的頂出力最大可達400 kN， 所以可以將頂出缸反裝，這樣就可以提供足夠大的合模力。但是，根據(jù)液壓機液壓工作原理可知，當主缸工作時，頂出缸會發(fā)生漏油，不能滿足壓制過程中持續(xù)保壓[5]。 所以要在頂出缸油路加裝蓄能器以保持液體容積，實現(xiàn)持續(xù)保壓[6]。圖8 所示為315 t 液壓機液壓原理圖， 圖9 所示為頂出缸反裝并加裝蓄能器后的液壓原理圖。

圖10 所示為溫擠壓實驗所得工件，殼體頭部和底部錐孔成形效果良好。

4 結(jié)論

本文針對三刃釬頭殼體的形狀特點提出了一種溫擠壓成形工藝，可實現(xiàn)此類零件的精密塑性成形，并得到如下結(jié)論：

（1）使用溫擠壓成形工藝可實現(xiàn)較小成形力下三刃釬頭殼體的精密塑性成形。

（2）實驗證明通過合理的模具設計和對315 t 通用液壓機的改裝， 完全可提供足夠的合模力，并且實驗證明此工藝生產(chǎn)的工件成形效果良好，并且具有生產(chǎn)效率高，材料利用率高等優(yōu)點。 該技術已經(jīng)在燕大恒遠高技術有限公司獲得應用。

[1]諸世敏，肖思文，胡斌梁.釬頭在礦山采掘工程的應用及發(fā)展 [J]. 煤炭科學技術，2001.29(3)：10～12.

[2]吳詩惇.冷溫擠壓[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，1991.

[3]曹宏強，李洪波，趙軍，馬進.鑿巖釬頭殼體及其它機械零部件溫擠壓成形工藝研究[J].鍛壓技術，2005.4：15～17.

[4]汪大年.金屬塑性成形原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[5]邊海岸， 戴雙獻. 四柱式萬能液壓系統(tǒng)原理研究[J].機械工程師，2007.7：92～93.

[6]孔祥東，權凌霄.蓄能器的研究歷史、現(xiàn)狀和展望[J].機床與液壓，2004.10：4～6.