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1  引言

E 型螺栓是矿用采煤输送机重要联接零件 , 属枝芽、叉型复合类复杂模锻件。其两种形状的锻件毛坯如图 1 所示。我厂经 10 多年开发 , 研究出了在自由锻上制坯后模锻成形的 E型螺栓成形工艺 , 实现了 83% 的锻件材料利用率 , 降低了锻件的成本 , 获得了一定的经济效益。近几年又继续开发和研究了铸锻成形 E 型螺栓的新工艺 , 进一步提高了材料的利用率 , 降低了锻件的成本并取得了良好的经济效益。

2   E 型螺栓铸锻复合塑性成形工艺

2. 1  复合塑性成形工艺

复合塑性成形工艺是将不同种类的塑性加工方法结合起来 , 或将其它金属加工方法 ( 如铸造、焊接、粉未冶金、材料和热处理等 ) 和塑性加工方法结合起来使用 , 从而获得所需形状、尺寸和性能的产品的加工方法。其特点是在成形过程中将原来不同范畴的加工方法有机地结合使用 , 确保零件的形状、尺寸和质量 , 并达到使用性能、工艺性能和经济性相统一的目的 , 从而满足机械制造的需要。


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2. 2  铸钢 E 型螺栓

铸钢 E 型螺栓适应性广、成本低 , 但在铸造时熔点高、结晶温度范围较宽 , 呈体积凝固或中间凝固方式 , 同时受浇注温度、浇注时金属压强、铸型状况及铸件结构的影响 , 流动性较差 ,收缩较大 , 铸钢件内部极易产生气孔、缩孔、缩松和偏析等铸造组织缺陷。因而其力学性能差 ,使用寿命低 , 不能满足使用性能的要求。

2. 3  模锻 E 型螺栓

模锻 E 型螺栓有 2 种成形方法 , 一种是采用轧材或型材坯料在整体模上自身制坯 , 然后终锻成形。虽然锻件质量好 , 但制坯困难 , 锻件材料利用率低 , 锻造打击力较大 , 模块尺寸较大 , 模具寿命低 , 经济性较差 ; 另一种是采用轧材或型材在自由锻锤上预成形 ( 相当于制坯和预锻),然后在整体模或镶块模上终锻成形。这种方法具有较高锻件材料利用率 , 模锻成形能力强 , 锻件质量好 , 模具寿命高 , 但预成形较困难。

2. 4  铸锻 E 型螺栓

为克服 E 型螺栓铸钢件不能满足使用性能要求和 E 型螺栓模锻件成本高的不利因素 ,同时又发挥铸造和锻造的双重优势 , 采用普通铸造方法 ( 砂型铸造或金属型铸等 ) 先铸出铸坯作为模锻预成形的坏料 , 然后将其进行模锻 , 可获得所需的形状、尺寸和质量的 E 型螺栓铸锻件。

2. 4. 1  铸锻 E 型螺栓的制造工艺

E 型螺栓的铸锻工艺过程为 : 熔炼→铸造→铸坯→加热→模锻→切边→热处理。该工艺的关键是模锻 , 模锻的关键是铸坯必须有足够的锻造比 , 锻造比过小 , 则达不到 E 型螺栓的性能要求 ; 锻造比过大 , 则会引起 E 型螺栓材料的各向异性 , 也会降低材料的利用率。

熔炼炉料为废锻件、废零件、废飞边或废钢。 在感应炉中熔化 , 砂型铸造 , 浇注温度1480 ℃ , 铸造坯料的材料为 40Cr 铸钢 , 两种 E型螺栓的铸造毛坯如图 2 所示。

铸造毛坯在液化气炉或煤气炉中加热 , 在整形体模或镶块模上模锻成形 , 始锻温度1200 ℃ , 终锻温度 850 ℃ , 在模锻操作时只需 3~ 4 锤便可终锻成形。锻件经过调质热处理 , 硬度为 28 ~ 32HRC 。

2. 4. 2   E 型螺栓的坯料形状与尺寸确定原则

根据 E 型螺栓受力情况可知, E型螺栓杆部的使用寿命决定了 E 型螺栓的使用寿命。在确定铸坯形状与尺寸时 , 要保证模锻时以镦粗成形为主 , 既要保证变形量小 , 成形容易 , 又要确保有足够的锻造比 , 尤其是螺纹杆部。


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当铸钢坯料形状与尺寸确定合理后 , 应使铸锻 E 型螺栓粗大的铸态组织变为均匀细小的晶粒组织 ; 破碎并改善碳化物及非金属夹杂物在金属基体内的分布 , 从而改善金属组织 , 提高螺栓的使用性能 ; 形成一定的纤维组织 , 使金属组织具有一定的方向性 ; 锻合内部孔隙 , 使金属塑性及致密性得到改善 , 减少应力集中 , 从而使 E 型螺栓的力学性能得到大幅度地提高 , 以确保铸锻 E 型螺栓的形状、尺寸和质量。

2. 4. 3  铸锻 E 型螺栓的质量

我们曾对铸锻 E 型螺栓和传统的模锻 E型螺栓的力学性能进行了测试统计。其中测试条件为 : 用三螺纹杆部的试样作力学性能拉伸试验和冲击试验。用` 10mm × 50mm 原始试样作拉伸试验 , 用 10mm × 10mm × 50mm 、带有2mm 深 V 型缺口作冲击试验。铸锻 E型螺栓与传统模锻 E 型螺栓热处理后的力学性能、硬度及纤维度的测试结果如表 1 所示。


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表 1 所示的测试数据表明 , 铸锻 E 型螺栓与传统模锻 E 型螺栓不仅具有相同的形状与尺寸 , 而且具有相近的力学性能、硬度和纤维度 , 因此具有相同或相近的质量。

2. 4. 4   E 型螺栓的技术经济性分析

铸锻 E 型螺栓的复合成形工艺 , 有效地解决了 E 型螺栓制坯难和模锻难的问题。可降低材料费 35% , 由于是小飞边模锻 , 材料利用率可达 90% 。因铸坯形状与尺寸合理 , 有利于在终锻时的金属流动 , 减少在锻模膛内磨损 , 模锻打击次数少 , 能耗低 , 生产率高 , 锻模寿命高。铸锻 E 型螺栓与传统模锻 E 型螺栓具有相同或相近的质量。因此 E 型螺栓铸锻复合塑性成形工艺具有明显的可行性、实用性和效益性。其技术经济分析统计结果如表 2 所示。

3  结论

(1) E 型螺栓铸锻复合塑性成形工艺克服了铸锻螺栓固有缺点而充分发挥了铸锻特有优势的工艺 , 具有较高的价值 , 能实现零件的使用性能、工艺性能和经济性的有机统一 , 具有明显的可行性、实用性和经济效益。

(2) 铸锻 E 型螺栓可利用废锻件、废零件和废飞边等废钢经过配料熔炼铸造成铸钢坯料 , 有效地提高了材料的利用率和降低了锻件成本 , 解决了 E 型螺栓制坯难和成形难的问题。

(3) E 型螺栓模锻成形的锻模具有结构简单 , 制造成本低和使用寿命高的特点。

(4) 铸锻 E 型螺栓与传统模锻 E 型螺栓的形状、尺寸和质量相同或相近。

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