CN101920442B - 一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法涉及金属塑性成形技术领域，适用于加工截齿等头部需要焊接硬质合金头的刀具、钎具。它的工艺步骤包括加工截齿体、加工安装孔、设计并制造一种硬质合金头、设计并制造冷挤缩径压合模具、冷挤缩径压合、机加工和热处理。本发明的优点是：采用冷挤缩径压合工艺，使“带正锥度的硬质合金头锥度自锁固定在截齿体前端”的固定方式得以工业化实现，既能保证截齿体与硬质合金头的稳固接合，确保截齿在使用时的抗冲击、抗扭曲能力，又回避了传统的焊接工艺，从而彻底消除了原始焊接所带来的种种诟病。
Description
技术领域
本发明涉及金属塑性成形技术领域，适用于加工截齿等头部需要焊接硬质合金头的刀具、钎具。
背景技术
众所周知，中国是全世界已探明煤储量和年开采量最大的国家，矿用截齿是采煤及巷道掘进机械中最主要的易损件，受煤层及岩层硬度的影响，年消耗量极大；另外，随着中国经济的高速发展，全国各地的交通道路建设都在如火如荼地展开，公路截齿是旧路面破碎设备中最主要的易损件，每年的消耗量也非常可观。据不完全统计，中国2009年矿用截齿和公路截齿的年总消耗量超过1亿只，截齿为中国的能源开采和基础建设做出了不可磨灭的贡献。
目前，仅国内生产截齿的厂家就有数百家，但所有国内外著名截齿生产厂家(如：肯纳金属、山特维克、菲利普斯等)所生产的截齿产品，截齿体和硬质合金头的接合方式100％都为焊接，即：在截齿体头部孔中加入硼砂焊剂和黄铜焊料，加热截齿体至黄铜熔化后，将硬质合金头装进孔中，与焊料充分接触后降温，待焊料凝固，完成焊接。这种截齿与硬质合金头的焊接工艺已沿用数十年，工艺陈旧且存在以下几个严重的问题：1、焊接需将产品加热至920℃以上后焊料才能充分熔化，电耗极大，能源浪费严重；2、焊接所使用的焊料焊剂价格昂贵，成本较高，且焊接对焊料焊剂的化学成分构成比例要求很高，不合格的焊料焊剂或者错误的操作极易造成脱焊、气泡等焊接报废；3、焊接过程中，硼砂受高温后会有较多的粉尘和烟雾产生，不利于操作人员的身体健康；4、焊接加工过程缓慢，不利于产品大批量生产；5、后期使用过程中一旦脱焊，硬质合金头将从截齿体中脱落，整个截齿将完全失效，不再具有使用价值；6、焊接后，硬质合金头很难再从截齿体中取出，这样大量的报废截齿中昂贵的硬质合金头就很难再次得到重复利用，严重地浪费了稀有矿物资源。
经过专利检索，我们发现三种免焊接截齿的加工方法：
第一种，采用温挤过盈配合方式固定硬质合金头。如“压入式镐型截齿”、“高耐磨金刚石复合截齿”、“蘑菇型压入式镐型截齿”、“一种用于截齿的保径方法及高耐磨复合截齿”等，其压合方式是无锥度的圆柱孔与圆柱体的压合，压合前，安装孔直径必须小于硬质合金头直径。由于截齿工作时，一直处于高频率、高强度的震动状态，因此在实际应用过程中，固定效果不理想，很容易脱落。在压合过程中，如果安装孔底排气不彻底，还会产生硬质合金头底部与安装孔底部不贴合或贴合不紧密的现象，造成截齿完全丧失应有的强度。专利“一种矿用硬质合金钻齿及采用该钻齿的截齿和钻头”中所公开的免焊接截齿加工方法也属于这一类型，为确保压合过程中排气顺畅，申请人在硬质合金头侧壁上设计了外螺纹，该专利的缺陷是：1、硬质合金头形状复杂，不利于制造，强度也难以保证；2、硬质合金头设有外螺纹，与截齿体内螺纹为线型接触，产品在使用过程中受冲击后易松动脱落或致截齿体磨损开裂。
第二种，采用销等固定件固定硬质合金头。如“一种采煤机截齿的固定装置”等，这类固定是在温挤或冷挤过盈配合固定的基础上，为防止硬质合金头松动脱落，而采用销、键等固定件，对硬质合金头和截齿体安装孔进行进一步锁定。其缺陷是固定件虽然降低了硬质合金头松动脱落的可能性，但同时也破坏了硬质合金头和截齿体的整体性，降低了截齿自身的强度和抗冲击、抗扭曲能力。
第三种，依靠硬质合金头与截齿体配合部分的锥度及热锻方法固定硬质合金头。如“一种截齿的生产工艺方法”。这种方法存在如下严重缺陷：1、由于锻造温度在1050～1150℃，过高的温度会导致截齿体的品粒度和组织粗大、机体强度严重下降，严重时还会形成过热和过烧等致命缺陷，导致截齿体本身完全丧失应有的强度；2、热锻会形成极为严重的表面脱碳现象，由于硬质合金头与截齿体之间有锥角差，在压合之前两者之间存在间隙，加热过程及热锻过程中，截齿体内孔表面会形成严重脱碳，导致截齿体内孔表面产生严重的氧化层，同时导致后续热处理无法达到理想的机体硬度，从而无法保证截齿体在使用过程中的应用强度，在实际使用过程中，截齿体会很快开口，从而导致硬质合金头从截齿体中脱落；3、截齿一般不使用低合金钢作为机体材料，因为低合金钢在淬火后的整体机械综合性能无法达到截齿使用环境的要求，该工艺之所以要强调使用低合金材料作为机体材料，是因为低合金材料不像传统的42CrMo那么容易脱碳，但即使这样，低合金材料的脱碳现象仍在所难免，更何况这种材料在实际使用过程中无法保证整体强度。鉴于上述原因，该工艺多年来无法应用于实际生产。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种既能保证截齿体与硬质合金头的稳固接合，确保截齿在使用时的抗冲击、抗扭曲能力，又回避了传统的焊接工艺，从而彻底消除了原始焊接所带来的种种诟病的冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法。
本发明的技术方案是：一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，它的工艺步骤包括：1、加工截齿体，确保截齿体外形与冷挤缩径压合后的截齿体外形相似，截齿体重量与冷挤缩径压合后的截齿体重量相等，截齿体尺寸留足冷挤缩径压合变形量；2、加工安装孔，在截齿体头部端面上机加工安装孔，安装孔直径比硬质合金头最大直径大0.05～0.15mm，形位公差与柄部同轴度小于0.2mm，安装孔底平面必须平整光滑；3、设计并制造一种硬质合金头，其工作部分锥度为60°～120°，压合部分锥度为1.0°～6.7°；4、设计并制造冷挤缩径压合模具，上模内部形腔符合截齿成品要求；5、将硬质合金头放入截齿体上的安装孔内，对冷挤缩径压合模具进行冷挤压，使截齿体头部安装孔与硬质合金头形成倒锥配合固定，当硬质合金头压合部分和底平面部分与截齿体安装孔完全贴合后回程；6、机加工和热处理。
进一步地说，截齿体所用材料为42CrMo。
进一步地说，硬质合金头与截齿体是通过冷挤缩径压合固定的。
进一步地说，所述加工截齿体，应该确保截齿体头部长度比冷挤缩径压合后的长度短2±0.2mm，头部直径比冷挤缩径压合后的直径大1±0.1mm，法兰边比冷挤缩径压合后的长度长2±0.2mm。
进一步地说，所述加工截齿体，采用冷精锻与机加工相结合的方式，其具体工艺步骤为：①选用直径
的42CrMo圆钢棒料；②下料重量为成品重量与制坯去皮的重量之和；③坯料采用井式真空控温炉球化退火工艺，确保退火硬度HRB≤80，晶粒度6级以上，经金相分析，组织球化率≥90％；④机加工截齿体制坯，尺寸为长度(50～200)±0.1mm，外圆
表面无脱碳，坯料重量要求一致，误差控制在±3g；⑤对坯料进行抛丸及磷皂化前处理加工；⑥对截齿体柄部进行扶正减径挤压，减径入模角24°～30°，减径后直径比冷挤缩径压合下模型腔尺寸小0.1～0.2mm，当减径比≥83％时，采用多次连续减径挤压的方法；⑦采用冷精锻工艺，将截齿体预成形，预成形后的截齿体外形与冷挤缩径压合后的截齿体外形相似，其尺寸差别在于截齿体头部长度比冷挤缩径压合后的长度短2±0.2mm，头部直径比冷挤缩径压合后的直径大1±0.1mm，法兰边比冷挤缩径压合后的长度长2±0.2mm。
进一步地说，所述加工截齿体，采用完全机加工的方式。
进一步地说，所述加工截齿体，采用热锻与机加工相结合的方式。
进一步地说，所述加工安装孔，安装孔的表面粗糙度≤Ra1.6μm。
进一步地说，硬质合金头压合部分的锥度为1.0～5.6°。
进一步地说，硬质合金头的底平面平整光滑，表面粗糙度≤Ra1.6μm。
进一步地说，在冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的过程中，冷挤缩径压合力为400～600吨。
本发明为申请人历经两年多时间研究成功的工艺方案，期间经过许多失败，耗费了大量人力、物力和财力。比如：1、在冷挤缩径压合固定硬质合金头前，截齿体一定要加工到近似成品形状，如果一边冷挤缩径压合固定硬质合金头，一边成形截齿体，冷挤缩径压合力过大，容易造成硬质合金头脱离截齿体头部孔的底平面，一旦硬质合金头悬空，截齿将不能保证后续使用过程中的应有强度；2、硬质合金头安装压合部分的圆锥体锥角大小必须控制在1.0～6.7°，如果锥角过大，截齿体孔根部易产生拉升应力，严重时产生撕裂现象，导致淬火后截齿体开裂，锥角过小则不利于硬质合金头与截齿体连接的稳定性，当锥角在1.0～5.6°时，可大幅提高成品率；3、当安装孔的表面粗糙度≤Ra1.6μm，硬质合金头的底平面光滑，表面粗糙度≤Ra1.6μm时，有利于金属流动，提高硬质合金头安装压合部分所有表面与截齿体头部安装孔所有内表面紧密贴合的成品率；4、截齿体材料选用42CrMo，有利于保证截齿的整体强度；5、在冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的过程中，冷挤缩径压合力为400～600吨，既能保证硬质合金头安装压合部分所有表面与截齿体头部安装孔所有内表面紧密贴合，又能减小截齿体孔根部拉升应力，减少撕裂现象，降低硬质合金头悬空的可能性。
本发明采用冷挤缩径压合工艺，使“带正锥度的硬质合金头锥度自锁固定在截齿体前端”的固定方式得以工业化实现，并由此带来积极效果如下：1、由于硬质合金头设计成锥角，而截齿体头部安装孔又与硬质合金头紧密贴合，保证截齿体与硬质合金头的稳固接合，确保了截齿在使用时的抗冲击、抗扭曲能力；2、避免了传统的焊接工艺，从而彻底消除了原始焊接所带来的种种诟病；3、在截齿使用报废后，由于截齿体与硬质合金刀头之间没有结合剂，可以使用普通车床很方便地将硬质合金刀头从截齿体中取出，有利于稀缺资源的再次利用。同时，此工艺可以普遍适用于各种需要孔内焊接的刀具、钎具。
附图说明
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
图1是本发明实施例工艺流程及产品形状变化图。
图2是本发明待加工截齿头部示意图。
图3是本发明待加工截齿头部放大图。
图4是本发明冷挤缩径压合工序示意图。
图中：1、硬质合金头，2、截齿体，3、上模，4、下模。
具体实施方式：
产品开发时使用模具CAD/CAM和三维模拟成形软件进行工艺成形和模具结构设计，并精确计算出截齿锻件的准确重量和保证每道工序各部位准确尺寸，保证设计出合理和成功的工艺。
具体工艺步骤：
1、加工截齿体2。①选用直径
的42CrMo圆钢棒料；②下料重量为成品重量与制坯去皮的重量之和；③坯料采用井式真空控温炉球化退火工艺，确保退火硬度HRB≤80，晶粒度6级以上，经金相分析，组织球化率≥90％；④机加工截齿体制坯，尺寸为长度(50～200)±0.1mm，外圆
表面无脱碳，坯料重量要求一致，误差控制在±3g；⑤对坯料进行抛丸及磷皂化前处理加工；⑥对截齿体柄部进行扶正减径挤压，减径入模角24°～30°，减径后直径比冷挤缩径压合下模型腔尺寸小0.1～0.2mm，当减径比≥83％时，采用多次连续减径挤压的方法；⑦采用冷精锻工艺，将截齿体预成形，预成形后的截齿体外形与冷挤缩径压合后的截齿体外形相似，其尺寸差别在于截齿体头部长度比冷挤缩径压合后的长度短2±0.2mm，头部直径比冷挤缩径压合后的直径大1±0.1mm，法兰边比冷挤缩径压合后的长度长2±0.2mm。
2、机加工截齿体2上的硬质合金头1安装孔。装夹截齿体柄部，数控加工安装孔，安装孔直径比硬质合金头最大直径大0.05～0.15mm，深度与硬质合金头压合部分高度相等，表面粗糙度≤Ra1.6μm，形位公差与柄部同轴度小于0.2mm，安装孔底平面必须平整光滑。
3、根据产品要求设计并制造硬质合金头1。所述硬质合金头工作部分锥度为60°～120°，压合部分锥度为1.0°～5.6°，最大直径为
硬质合金头的底平面必须平整光滑，表面粗糙度≤Ra1.6μm。
4、设计并制造截齿体预成形模具和冷挤缩径压合模具各一套。每套模具分为上模和下模，模具材料应选用冷挤压专用模具材料，如Cr12MoV、65Nb、YXR3，热处理硬度HRC59～61，粗糙度≤Ra0.04μm。
5、冷挤缩径压合。硬质合金头1与截齿体2是通过冷挤缩径压合固定的。将硬质合金头1放入预成形截齿体2上的安装孔内，预成形截齿体2柄部放入冷挤缩径压合模具的下模4内，利用压力机对冷挤缩径压合成形上模3和下模4之间挤压，使截齿体2头部安装孔孔形部分产生缩径与硬质合金头1锥度形状吻合，形成倒锥配合固定。当硬质合金头1压合部分和底平面部分与截齿体2安装孔完全贴合后压力机滑块回程；冷挤缩径压合力在400～600吨。
6、根据产品型号，对截齿体2需机加工部分进行机加工，如大外圆、卡簧槽、柄部端面。
7、按产品技术要求对产品进行热处理加工。
上述实施例仅为本发明技术解决方案的一个具体操作实例，本发明技术解决方案在实际应用时可以演化出众多具体实施方案。比如截齿体2的加工，上述实施例采用的是冷精锻加机加工方式，在实际应用时可以完全采用机加工方式完成或热锻造加机加工的方式完成；硬质合金头1压合部分的圆锥体锥角还可以选择5.6°～6.7°。
Claims (10)
1.一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，其特征在于：它的工艺步骤包括：①加工截齿体，确保截齿体外形与冷挤缩径压合后的截齿体外形相似，截齿体重量与冷挤缩径压合后的截齿体重量相等，截齿体尺寸留足冷挤缩径压合变形量，确保截齿体头部长度比冷挤缩径压合后的长度短2±0.2mm，头部直径比冷挤缩径压合后的直径大1±0.1mm，法兰边比冷挤缩径压合后的长度长2±0.2mm；②加工安装孔，在截齿体头部端面上机加工安装孔，安装孔直径比硬质合金头最大直径大0.05mm～0.15mm，形位公差与柄部同轴度小于0.2mm，安装孔底平面必须平整光滑；③设计并制造一种硬质合金头，其工作部分锥度为60°～120°，压合部分锥度为1.0°～6.7°；④设计并制造冷挤缩径压合模具，上模内部形腔符合截齿成品要求；⑤将硬质合金头放入截齿体上的安装孔内，对冷挤缩径压合模具进行冷挤压，使截齿体头部安装孔与硬质合金头形成倒锥配合固定，当硬质合金头压合部分和底平面部分与截齿体安装孔完全贴合后回程；⑥机加工和热处理。
2.据权利要求1所述的一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，其特征在于：截齿体所用材料为42CrMo。
3.据权利要求1所述的一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，其特征在于：硬质合金头与截齿体是通过冷挤缩径压合固定的。
4.据权利要求1或2所述的一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，其特征在于：所述加工安装孔，安装孔的表面粗糙度≤Ra1.6μm。
5.据权利要求1或2所述的一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，其特征在于：硬质合金头压合部分的锥度为1.0°～5.6°。
6.据权利要求1或2所述的一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，其特征在于：硬质合金头的底平面平整光滑，表面粗糙度≤Ra1.6μm。
7.据权利要求1或2所述的一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，其特征在于：在冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的过程中，冷挤缩径压合力为400吨～600吨。
8.据权利要求1或3所述的一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，其特征在于：所述加工截齿体，采用冷精锻与机加工相结合的方式，其具体工艺步骤为：①选用直径
的42CrMo圆钢棒料；②下料重量为成品重量与制坯去皮的重量之和；③坯料采用井式真空控温炉球化退火工艺，确保退火硬度HRB≤80，晶粒度6级以上，经金相分析，组织球化率≥90％；④机加工截齿体制坯，尺寸为长度(50～200)±0.1mm，外圆
表面无脱碳，坯料重量要求一致，误差控制在±3g；⑤对坯料进行抛丸及磷皂化前处理加工；⑥对截齿体柄部进行扶正减径挤压，减径入模角24°～30°，减径后直径比冷挤缩径压合下模型腔尺寸小0.1mm～0.2mm，当减径比≥83％时，采用多次连续减径挤压的方法；⑦采用冷精锻工艺，将截齿体预成形，预成形后的截齿体外形与冷挤缩径压合后的截齿体外形相似，其尺寸差别在于截齿体头部长度比冷挤缩径压合后的长度短2±0.2mm，头部直径比冷挤缩径压合后的直径大1±0.1mm，法兰边比冷挤缩径压合后的长度长2±0.2mm。
9.据权利要求3所述的一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，其特征在于：所述加工截齿体，采用完全机加工的方式。
10.据权利要求3所述的一种冷挤缩径压合截齿体与硬质合金头的工艺方法，其特征在于：所述加工截齿体，采用热锻与机加工相结合的方式。
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