液态模锻双金属复合锤头模具设计.pdf

2024年第1 期2024年2 月铸造工艺铸造设备与工艺FOUNDRY EQUIPMENT AND TECHNOLOGYD0I:10.16666/ki.issn1004-6178.2024.01.006液态模锻双金属复合锤头模具设计Feb.2024No1邢思宁（山东蓬莱电力设备制造有限公司，山东烟台2 6 0 6 59）摘要：为了提高破碎机双金属复合锤头的综合性能，延长其使用寿命，本文提出了采用液态模锻工艺生产双金属复合锤头的方案，并进行了相应的模具设计。模具采用直立位直接加压液锻成型，可替换模芯，垂直分模，下缸上行顶出的方案。关键词：液态模锻；模具设计；双金属锤头；可逆锤击式破碎机中图分类号：TG316.3Die Design for Molten Metal Die Forging Bimetal Composite Hammer Head(Shandong Penglai Electric Power Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Yantai Shandong 260659,China)Abstract:The molten metal die forging is a new metal forming process that crystallizes molten metal under pressure to formdense metal structures and improve the overall performance of castings.This article proposes a scheme for producing dual-metalcomposite hammer heads using liquid metal forging technology to improve the hardness and extend the service life of crushers.Themold design is carried out,which adopts vertical direct pressure liquid forging and can replace the core,vertically divide the mold,and use the lower cylinder to push out the product.Key words:molten metal die forging,mould design,bimetal composite hammer head,crusher文献标识码：AXING Si-ning文章编号：1 6 7 4-6 6 9 4(2 0 2 4)0 1-0 0 1 8-0 5随着国内环保意识逐渐高涨，在火力发电系统中，污染排放量低的循环流化床锅炉开始大规模装备，又因其燃料适应性好的特点，低热值劣质煤开始作为燃料被大量使用,故而对破碎机锤头性能提出了新的挑战。以可逆锤击式破碎机为例，传统的砂型铸造双金属锤头寿命在破碎优质煤的情况下可达9 1 2 个月，但在破碎劣质煤时寿命却不足3个月。故本文提出采用液态模锻工艺生产双金属复合锤头，旨在提高锤头硬度及耐磨性以延长其使用寿命。1双金属锤头液锻方案1.1双金属破碎机锤头双金属锤头结构如图1 所示，锤头头部作为主要受力部位，工作中需要频繁的敲击、碾压煤块，因此强调其硬度及耐磨性，故选用高铬铸铁材料，其淬火硬度可达HRC55左右，满足耐磨性要求；锤头尾部设有吊耳，与锤柄相连，因此该部位要求具有收稿日期：2 0 2 3-0 7-2 7作者简介：邢思宁（1 9 9 2-），男，本科学历，助理工程师，主要从事机械设备与模具的设计工作。18较好的冲击韧性，若采用高硬度材料，极易发生吊耳破裂，锤头落入破碎腔体造成破坏的情况，因此该部位通常采用3 5号铸钢。因此该锤头为高铬铸铁与3 5号钢复合铸造。11895图1 双金属锤头结构示意图双金属破碎机锤头的综合性能较普通的单一金属锤头有明显的提升，但因其使用传统的砂型铸造生产工艺，高铬铸铁浇注温度高，并且凝固区间窄，不可避免的出现缩松、夹渣、气孔等缺陷，影响其破碎性能。查阅资料可知，使用液态模锻工艺可900985分模面2024年第1 期显著改善高铬铸铁件的各项性能，与重力铸造得到的组织相比，采用液态模锻工艺制备的高铬铸铁因为压力使铸件与模具之间充分接触，更大的散热面积会直接加快金属液的冷却速度，缩短凝固时间，使得其中的C、C r、M n 等原子来不及扩散转移、晶粒来不及长大，从而使金相组织晶粒细化，因此性能会进一步提高 1-2 。本文在此理论基础上,探索双金属复合锤头液态模锻的工艺方案，并对其液态模锻模具进行设计。1.2工艺方案设计1.2.1液态模锻方式选择液态模锻的本质特征是对处于液态的金属材料施加高压而流变与凝固成形。目前已经形成了包括直接液锻、间接液锻、复合液锻和智能液锻等加压方式的一个完整体系3 ，如图2 所示。在选择液态模锻加压方式时应根据锤头的结构特点综合考虑，双金属锤头外形大致为柱形体，结构较为简单，宜采用直接加压的液锻方式，因该锤头为双金属复合浇注，间接液锻及复合液锻等方式模具结构较为复杂，不但提高了模具的制造成本,而且易发生金属液的融合,影响锤头性能。因邢思宁：液态模锻双金属复合锤头模具设计铸造设备与工艺此，综合液态模锻工艺的可行性及模具经济性考虑，确定液锻方式为直接加压液锻，1.2.2加压设备锤头液态模锻模具使用现有的Y27系列1260T四柱式液压机，该压机工作台有效尺寸为2000mmx2200mm，主油缸及顶出缸采用双缸活塞式液压缸，上下分布，主缸公称压力为1 2 6 0 0 kN，顶出力为40 0 0 kN，因此模具使用上缸下行加压，下缸上行顶出的工作方式。1.2.3分模面分模面的选择应本着便于脱模、便于排气和溢流、便于浇注的原则，同时还要便于模具安装、便于更换易损件，结合锤头结构特点，故选用垂直分模的方式，如图3 所示。图3 分模面位置示意图1.2.4比压及保压时间比压是指在液态模锻时，液锻力在金属液上所压头或凸模凹模液态金属a）直接液锻下模上压头压头上模上压头工件下压头c）复合液锻和智能液锻图2 液态模锻的基本类型下模工件压室上模压头b)间接液锻形成的压强。其作用是使金属液在等静压的作用下结晶凝固，从而获得致密的内部组织和较高的机械性能 4。直接液锻比压可用以下公式进行计算 5：P=K,xK2x1+0.001(H/a)3式中,P一比压;K,为合金种类系数,取1 0 0 MPa;Kz一液锻方式系数，取1.5;H一液锻件中液锻时阻力较大部分的高度，取1 50 mm;一与H部分相对应的液锻件厚度，取1 50 mm.带人式中，可得P150MPa，因此，双金属锤头直接液锻工艺的比压取为1 0 0 MPa.Y27系列1 2 6 0 T四柱式液压机最大可提供2 8 0 MPa比压，因此该设备满足要求。液锻保压时间是从合金液充型结束到液态模锻完成这段时间。保压时间的长短取决于制件的材质和壁厚，在保证液态金属完全凝固和成形致密的前提下，保压时间愈短愈好。计算保压时间时，应先根据平方根定律计算出合金液的凝固时间，再减去铸件的开始加压时间，即可确定铸件的保压时间。金属液凝固速度符合平方根定律7：19:Feb.2024No1式中,8 铸件等效凝固厚度，取8 cm;K一凝固常数,经试验测得，一般取2 5mm/min2;t为凝固时间。代人式中,t10 min.保压时间取1 0 min.1.2.5充型速度充型速度是指合金液在压力作用下，进入并填满型腔时的流动速度。充型速度的选择非常重要，速度太低，合金液会形成较厚的结壳层，阻碍充型过程的顺利进行，导致液锻件产生充不满、轮廓不清晰、缩孔、缩松等铸造缺陷。对于锤头类工件的直接液锻方式来说，因锤头结构简单，作业时只需要将熔融金属液直接浇注入模具型腔中，因此与其他几种液锻方式相比，充型最为容易。但由于其浇注过程中金属液流程短，热量散失小，充型时金属液流速过快的话，极易发生模具烧蚀和熔焊。因此，为了使金属液平稳流动且能顺利排出型腔内的气体，充型速度应尽量低一些，采用3 50 mm/s400mm/s为宜。1.2.6模具温度模具温度的高低，直接影响到液锻件的质量和模具寿命。模具温度过低，合金液热量损失快，温度下降迅速，金属液流动性降低，造成充型困难。模具温度过高，合金液热量散失少，虽然流动性好易于充型，但易发生粘模和模具熔焊现象，造成脱模困难,降低模具使用寿命。因此在液锻生产前，必须将模具预热到一定温度，且在生产过程中应始终保持一定的温度范围。对于铸钢件，合适的模具温度范围一般为2 0 0 3 0 0.2模具设计2.1模具材料模芯与冲头是直接与高温、高压的金属液接触的部位，在高温下应具有较高的强度、硬度、耐磨性、以及较好的导热性和抗热疲劳性能，并且能抵抗液态合金的粘焊和熔蚀，因此H13（4C r 5M o Si V 1）热作模具钢是比较理想的材料。该因其含碳、钒较高，因此在较高温度时具有较好的强度和硬度。H13钢以高耐磨性、高韧性和优良的综合力学性能广泛使用于液态模锻模具领域，但其价格偏高。因此对于上、下模板、模套等不与熔融金属液直接接触的部位，本着降低成本的考虑，选用了45优质碳素结构钢制作。2.2排气槽排气槽的作用是使模腔内的气体能够顺利排20铸造设备与工艺S=KVt出，否则液锻件会产生气孔、缩松的缺陷。对于直接加压液锻锤头生产来说，模腔内气体可通过模具间隙排出，因此分模面以及模具接触面配合间隙的选择就显得尤为重要。结合锤头的结构特点，模具采垂直面分模的方式，采用该方式可使分模面贯穿整个模腔，利于模腔内气体排出；分模面的配合间隙可按表1 选择8。表1 配合尺寸与模间间隙对应表配合处尺寸/mm总间隙/mm（黑色金属）60700.180.2770800.180.27801000.200.271002000.200.30模芯间配合尺寸为1 9 7 mm，查表可知配合间隙可取0.2 mm0.3mm.此外,应充分考虑模芯在预热过程中的热胀现象，在实际工作中一般只考虑金属的线性膨胀，对于碳钢材料的线性尺寸变化量可用如下公式进行计算：S=KxLxAt式中，8 为模具尺寸变化量；K为线性膨胀系数，对于45钢材料，一般取1 1.51 0;L为模芯全长,取1 0 0 mm;At为温度变化量，以室温2 0,将模芯加热到3 0 0 为例，At应取2 8 0，代人式中可得8 0.3 2 2 mm.综合以上因素可知，要保证模具的排气效果，模具加工时配合间隙应为0.8 mm0.9mm.2.3溢流槽液态模锻模具设计溢流槽可以控制液态模锻型腔内的金属液的量，保证高度方向有较准确的尺寸。在确定溢流槽位置时，应考虑铸件的凝固收缩，对于高铬铸铁材料,其收缩率一般取2%,因此溢流槽应高于铸件尺寸4mm左右。在浇注金属液时，含有各种氧化物、涂料熔渣等杂质的金属液会浮于顶层，随多余金属液一同排出，溢流槽在控制液锻件外形尺寸的同时，还有利于保证液锻件成分的稳定性。2.4模具结构液态模锻双金属模具结构见图4，主要分为上模、模套、下模板、模芯、顶杆等部分，由于采用直接加压的液锻方式，上模下端面为弧形，液锻时会产生尖棱，较易发生模具损坏，所以上模设计为上模板1 和冲头3,方便发生损坏时更换冲头。模芯5为可替换式结构,两件模芯与型芯6 组合形成模腔，一侧模芯上口有溢流槽，浇注时可排除多余金属液。2024年第1 期2024年第1 期液锻作业前，准备若干个可替换模芯组合体分别喷涂脱模剂及预热。液锻作业时，将组合体装入模套，模芯预热膨胀后与模套配合，使得模间间隙满足排气要求。浇注时，先向模腔中浇人3 5钢液，浇注温度1 450，待金属液将型芯完全覆盖后停止浇注，观察金属液状态，待其温度降至1 3 0 0 左右，处于半液半固状态时浇人高铬铸铁融液，浇注温度1 51 0，此时应控制金属液的充型速度，直至多余金属液从溢流槽流出则浇注完成。浇注完成后迅速操作压机使上模下压，下压速度不宜过快，否则不利于排出模腔内气体，一般取1 0 mm/s15mm/s为宜。压至最低点持续保压1 0 min后，拾起上模,压机下缸顶出模芯组合，将其置于特制工装上，打开模芯取出锤头则一次液锻作业完成，与此同时可装人另一套模芯组合继续液锻作业。2中3456781-上模板；2-导向机构；3-冲头；4-模套；5-模芯；6-型芯；7-顶出杆；8-下模板图4液态模锻双金属模具结构图2.5热处理双金属液态模锻复合锤头的热处理同样采用挤压铸造高铬铸铁的亚温淬火热处理工艺，具体步骤为将锤头置于箱式电阻炉中，升温9 0 min达到530，保温6 h后取出锤头，随后空冷至室温。由于使用了双金属复合工艺，其尾部3 5铸钢承担了锤头的韧性要求,所以头部的高铬铸铁材料可专注于提高其硬度，以达到延长其使用寿命的目的。3直接液锻双金属复合锤头组织性能3.1砂型铸造与液态模锻双金属复合锤头金相对比通过对图5金相图对比可知，两种成型工艺的双金属复合锤头热处理后，内部均由M7C3型碳化物、马氏体、残余奥氏体等组成，但与砂型铸造锤头中粗大的马氏体组织相比，液态模锻工艺的双金属邢思宁：液态模锻双金属复合锤头模具设计中成型工艺热处理工艺平均硬度(HRC)3.2耐磨性测试将两种成型工艺的双金属复合锤头置于耐磨测试工作台，用砂轮模拟破碎机工作情况，测试时间为2 0 h+37min，磨量对比如表3 所示。可以看出，使用液态模锻工艺生产双金属复合锤头耐磨性较传统工艺提升明显。3.3结合界面复合锤头中两种材料的融合情况是影响锤头性能的关键因素 9。作业时，3 5钢与高铬铸铁为液态熔合，在两种材质结合界面会产生约1 0 mm厚度的熔融区域，呈现出你中有我我中有你的状态，由此可以保证二者的结合强度。但因为两种材料的浇注温度不同，传统砂型铸造时，由于3 5钢率先冷却收缩,与砂型间形成缝隙,此时浇人1 50 0 的高铬铸铁融液，结界面合处易产生气孔及片状疤皮，影响成品率；而液态模锻复合工艺，因其持续加压补缩的特性，压力使结合面上的金属外壳会产生一定的塑性变形，导致结合面呈现犬牙交错的状态，可以促进界面的相互渗透，既增强了界面的结合强度，又大大降低了界面的表面缺陷，如图6 所示。21铸造设备与工艺锤头中马氏体组织更小，保持基本形态的同时与碳化物形成相间分布的趋势,组织更为均匀,其原因是金属液凝固过程中，在压力的作用下，一方面提高了过冷度，使初生的奥氏体来不及长大，就被共晶组织限制了生长，奥氏体晶粒不断地被细化；另一方面提高了形核率，使同一空间的奥氏体更多的生长，使组织更加均匀。a）砂型双金属复合锤头图5锤头金相对比均匀的内部组织结构使锤头热处理后硬度有一定程度的提高，如表2 所示。表2 不同工艺双金属复合锤头硬度对比砂型铸造液态模锻亚温淬火亚温淬火55.559.3b）液态模锻双金属复合锤头Feb.2024No1表3 不同工艺双金属复合锤头耐磨性对比成型工艺砂型铸造磨前重量/kg10.3磨后重量/kg9.5磨去重量占比/%0.077磨去厚度/mm约为1 0图6 砂型铸造（左）与液态模锻（右）界面外观对比3.4结果分析相对于传统砂型双金属锤头铸造生产工艺，液态模锻工艺有助于内部晶粒组织的细化，组织内碳化物的均匀分布,表现为硬度、耐磨性的提高；有助于界面的相互渗透，表现为界面结合强度的提高，以及不良品率的降低。4结论采用液态模锻工艺生产双金属复合锤头的硬铸造设备与工艺度、耐磨性等均有显著提升，此外液态模锻双金属液态模锻复合技术还具有显著的节能减排效果，钢液利用率11.3高的同时省去了冒口的重熔，既提高生产效率，又10.8减少了电能消耗。由于无砂作业，固废排放显著减0.044少，实现绿色铸造。约为6参考文献：1邢书明,武彤,孙鸿基，等.变形铝合金液态模锻及其研究进展J.常州大学学报（自然科学版）,2 0 2 2,3 4(6)：1-8.2单爱丽,邢书明,宋文明，等.液态模锻高铬铸铁亚温淬火工艺研究 J1.常州大学学报（自然科学版）,2 0 2 3,3 5（1)：1-9.3开邢书明，邢若兰.液态模锻（挤压铸造)技术研究与应用进展J.常州大学学报（自然科学版）,2 0 2 1,3 3（5)：1-7.4 郭文龙.钢铁材料液态模锻及其产品组织性能研究 D.北京：北京交通大学，2 0 0 8:2 1-2 2.52罗守靖，陈炳光，齐不，等.液态模锻与挤压铸造技术 M.北京：化学工业出版社，2 0 0 7：3 8-7 0.6谭建波，邢书明，张励忠.C级钢钩舌半固态流变模压模具设计 D.北京：北京交通大学学报（自然科学版）,2 0 0 4,2 8（4)：79-83.7胡汉起.金属凝固原理 M.北京：机械工业出版社，1 9 9 1:6-9.8 陈炳光.金属模锻模具设计 M.武汉：华中理工大学出版社，1989:78-79.9李鹏志,邢书明.破碎机锤头双金属复合铸造工艺的研究进展J.金属矿山,2 0 0 8,5:9 6-9 9.2024年第1 期(上接第1 7 页）6结 论表2 大力学性能及金相检测结果名称抗拉强屈服强伸长硬度球化石墨形态及石墨大小声速/ms度/MPa度/MPa率1%/HB率1%技术要求390250141135-18590VI(V)80%,5/7检测值440289251569585%VI6+10%V64样件试制及质量检测采用本工艺对燃气机进行生产，打磨后对铸件关键位置进行超声波探伤，按EN12680.3标准执行，检测区域未发现超标波行显示，符合验收标准。将铸件附铸试块送往CNAS认证检测机构进行检测,其理化性能检测及金相组织检测结构如表2所示，全部符合技术要求。5优化方向优化冒口数量：根据车间生产情况验证减少冒口增加冷铁延长补缩通道，降低工艺出品率。减小横拉螺栓缩松尺寸：增加横拉螺栓随型冷铁进行激冷，减小横拉螺栓模数。221）采用多级式开放式浇注系统有利于铁液平稳浇注。5.6002）采用冷铁改变局部模数加冒口补缩有利于5621燃气机铸件关键位置实现顺序凝固。3）凝固模拟MAGMA软件能够在理论上进行指导铸件实际生产。参考文献：1 潘密，张杰，陈春生，等.QT400-15A大型鼓风机铸件的生产工艺 J.现代铸铁,2 0 2 0,40(4)：1-3.2 中华人民共和国机械电子工业部.压缩机球墨铸铁零件的超声波探伤：JB/T5439-1991S.3付龙.高铁机车内燃机型缸体铸造工艺设计 J.现代铸铁，2017,37(6):44-46+71.4巧张文达，杨晶，叶云，等。案例教学法在铸造工艺学课程中的应用 J.中北大学学报（社会科学版），2 0 0 7(S1)：1 8 4-1 8 6.5中国机械工程学会铸造分会.铸造手册：铸造工艺 J.第2 版.北京：机械工业出版社，2 0 6.6宁显润，杨春黎，黄鹏，等.某大马力型柴油机缸体铸造工艺设计 J.铸造设备与工艺，2 0 2 2(5):1 6-1 8.