CN114367619B - 大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具和成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具，包括锻模，锻模包括上模和下模，锻模采用平直分模，上模上设置有球窝成型面，球窝成型面的球心相对锻件设计尺寸上移1.5‑2.5mm，球窝成型面的窝口周边向下25‑30mm范围内向外扩2‑2.5mm；下模上设置有田字形分布的四个减重孔成型面，四个减重孔成型面的高度一致，减重孔成型面的侧立面拔模斜度为18‑23°，减重孔成型面的底部圆角设置为R45‑60，边缘位置圆角设置为R18‑22，减重孔成型面的顶部转角处以SR460球面过渡；锻模的内腔侧面拔模斜度设置为4‑6°。该模具满足了超大型锻件的加工要求，解决了超大型锻件的成形难题。

Description

大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具和成形方法

技术领域

本发明涉及液压支架柱窝领域，具体的说，涉及了一种大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具和成形方法。

背景技术

近年来，为适应采煤综合机械化的发展需求，液压支架迅速发展，依据煤层赋存条件，支架支护高度不断增加，8.8米液压支架作为目前世界第一的大采高液压支架，其支护高度、工作阻力、支护中心距均创世界之最。

柱窝作为煤矿液压支架的关键核心承力部件，主要用在支架的顶梁和底座上面，是立柱两头的接触和支撑部位，承受载荷大，制造标准高。

为满足8.8米液压支架使用要求，导致相应的柱窝结构模锻成形难度大，综合力学性能要求高，制造成本居高不下。

如何保证此类锻件的锻造成形及顺利出模，高质量地完成此类锻件的工艺研发，成为大采高液压支架研发成功的关键。

具体的，该件所用生产设备为18吨全液压模锻锤，而理论上需要的设备应为60吨锻锤，属超大型模锻件，设备依赖程度高，生产难度大，模具成本高，材料、能源、工具消耗大；此外，国标规定钢质模锻件范围为0-500㎏，该锻件重量为1250㎏，锻造工艺参数超行业标准，无工艺编制参考依据，工艺编制困难，且锻件超重，无法一火成型，锻件厚度很难预测；模具尺寸超行业标准，承击面、平衡错移力的锁扣类型无参考依据，整体设计难度较大。

而且，由于锻打能力受限，属于小设备打大锻件，导致球窝面、减重孔、加工余量和焊缝等处的设计均需要特别设计，模具设计也需要不同以往，成型工艺更需要大幅调整，对本领域技术人员来说存在较大挑战。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种满足超大型锻件的各项指标、顺利完成超大型锻件的生产任务、保证锻造质量的大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具和成形方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具，包括锻模，所述锻模包括上模和下模，所述锻模采用平直分模，所述上模上设置有球窝成型面，所述球窝成型面的球心相对锻件设计尺寸上移1.5-2.5mm，所述球窝成型面的窝口周边向下25-30mm范围内向外扩2-2.5mm；所述下模上设置有田字形分布的四个减重孔成型面，四个所述减重孔成型面的高度一致，减重孔成型面的侧立面拔模斜度为18-23°，减重孔成型面的底部圆角设置为R45-60，边缘位置圆角设置为R18-22，减重孔成型面的顶部转角处以SR460球面过渡；所述锻模的内腔侧面拔模斜度设置为4-6°。

基上所述，还包括切边模块，所述切边模具包括切边凸模和切边凹模，所述切边凹模的刃口通过镶嵌的方式安装在切边凹模上，所述切边凹模的基材为27CrNiMo钢，刃口焊材选用硬质合金，刃口热处理硬度为HRc50-55，基材硬度HRc40-44,所述切边凸模的材料选用40Cr，热处理硬度HRc35-40。

基上所述，所述锻模的模膛深度较设计尺寸减小11-15mm，模膛收缩率为1.6%。

基上所述，所述下模的腔体底部预留5-10mm的加工余量。

基上所述，所述上模的腔体底部设置25×45°的倒角，下模的腔体底部设置20×30°的倒角。

基上所述，所述锻模材料为5CrNiMo，燕尾热处理硬度为28-32HRC，锻模的基体材质为33-37HRC。

一种大采高液压支架用超大型底座柱窝成形方法，采用的生产设备为18吨全液压模锻锤和所述的大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具，锻件选用1320Kg的棒料下料，下料规格为φ500×865，原材料选用27CrNiMo钢连铸坯，切边设备为1600吨油压机；通过以下步骤生产：

1）锻件的毛坯料加热温度至上限温度1150°C-1200°C，锻模预热温度200°C-350°C，使用石墨乳润滑模具；

2）采用所述18吨全液压模锻锤连续锻打一定时间，保证锻打时间范围内，锻件温度高于900°C，直到锻打完成；

3）将锻件转移至所述切边设备上进行切边；

4）转移至沙坑堆冷却；

5）加工锻件的四个侧面及底面至设计尺寸，并采用机器人火焰切割四个立倒角。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明由于锻件规格严重超标，重达1250Kg，超过国标规定钢制模锻件范围（0-500Kg），锻打设备严重不足（使用18吨模锻锤，理论要求为60吨锻锤），属于小设备打大锻件，打击能量不足，在此基础上，将锻模进行合理设计，包括：

将球心上移2mm进行补偿，避免锻件过大，冷却后锻件窝底加深；

窝口周边向下25-30mm处向外扩2-2.5mm，解决切除飞边时窝口处容易变形的难点；

减重孔呈田子筋结构，由于通常的减重孔前后尺寸深度不同，不利于金属填充，在大锻件下填充难度进一步增加，因此将前后的减重孔成型面设计高度一致，同时要考虑金属的流动性，控制减重孔侧立面拔模斜度为18-23°，减重孔成型面的底部圆角设置为R45-60，边缘位置圆角设置为R18-22，减重孔成型面的顶部转角处以SR460球面过渡；

为保证顺利脱模，模膛内侧面的拔模斜度设置为4-6°。

进一步的，由于小设备打大锻件，很容易发生锻打力不足，在后期锻打压力增大，厚度超差严重的问题，因此设计模腔深度减小至11-15mm，控制模膛收缩率为1.6%。

进一步的，由于此类锻件严重超过设备锻打能力，底部需要进一步加工，在下模的腔体底部预留5-10mm的加工余量。

进一步的，所述上模的腔体底部设置25×45°的倒角，下模的腔体底部设置20×30°的倒角，为焊缝以及焊缝倒角的设计要求预留空间。

进一步的，所述锻模材料为5CrNiMo，燕尾热处理硬度为28-32HRC，锻模的基体材质为33-37HRC，5CrNiMo钢具有较好的韧性、强度和高耐磨性，它在室温和500-600℃时的力学性能几乎相同，当加热到500℃时，仍能保持在300HBS左右的硬度，能满足该柱窝的锻打使用要求。

进一步的，切边模具在考虑设计要求的同时还要节省成本，因此采用钢板拼焊的方式制造，切边凹模选择刃口镶嵌的方式，基材选用27CrNiMo钢，刃口焊材选用硬质合金，刃口热处理硬度HRc50-55，基材硬度HRc40—44，切边凸模材料选用40Cr，热处理硬度HRc35-40。

进一步的，在加工过程中，需要保持锻打温度在温度上限，以保证金属的流动性，从而降低对锻打设备的要求，以便将锻件锻打成形。

通过上述工艺调整、模具调整后，该超大型锻件能够在锻打设备能力不足的前提下锻打成功，顺利制造完成，且各方面指标符合要求，大幅降低了该超大型锻件的设备要求和生产成本。

附图说明

图1是本发明中锻模的结构示意图之一。

图2是本发明中锻模的结构示意图之二。

图3是本发明中切边凸模的结构示意图。

图4是本发明中切边凹模的结构示意图。

图5是本发明中锻件减重孔的设计尺寸图。

图6是本发明中锻件的球窝面设计补偿尺寸图。

图7是本发明中锻件的分模面设计图。

图8是本发明中锻件的倒角设计图。

图9是本发明中下模的俯视图。

图10是本发明中上模的仰视图。

图中：1.上模；2.下模；3.球窝成型面；4.减重孔成型面；5.刃口。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

粗略估算锻件重量约为1250Kg，所需锻打设备约为60T锻锤，生产方式为开式模锻，属超大型模锻件，重量超国标。

超大型锻件生产难度大，生产成本高，设计应遵守以下几项基本原则：①锻件在模膛内成形均匀，无质量缺陷；②坯料放置于模膛时要安全可靠；③生产过程中锻件要易取易放。

根据我公司生产实际，特制定如下生产工艺方案：加热（燃气炉）——模锻（18吨全液压模锻锤）——切边（1600T油压机）。

如图1、图2、图7、图9和图10所示，所采用的锻模，材料为5CrNiMo，燕尾热处理硬度为28-32HRC，锻模的基体材质为33-37HRC，5CrNiMo钢具有较好的韧性、强度和高耐磨性，它在室温和500-600℃时的力学性能几乎相同，当加热到500℃时，仍能保持在300HBS左右的硬度，能满足该柱窝的锻打使用要求。为保证模块质量，又对锻模模块采购标准做了规定，主要包括化学成分、冶炼方法、交货状态、交货硬度、探伤标准、表面质量等方面。

所述锻模包括上模1和下模2，所述锻模采用平直分模。

如图6所示，所述上模1上设置有球窝成型面3，球窝面为重要配合面，尺寸要求严格，球窝周边壁厚不均匀，且前后减重孔也存在差别，锻件冷却局部收缩不一致，从温度场初步分析，冷却后锻件窝底会加深，因此将球窝成型面的球心相对锻件设计尺寸上移1.5-2.5mm。

切除飞边时窝口处容易变形，变形补偿量成为设计难点，本实施例中，将球窝成型面的窝口周边向下25-30mm范围内向外扩2-2.5mm。

如图5所示，所述下模2上设置有田字形分布的四个减重孔成型面4，一般柱窝的减重孔尺寸较大，且前后深度不一致，不利于金属填充，设计时应充分考虑金属流动性，以及锻打设备的性能，因此，本实施例中将四个所述减重孔成型面的高度一致，以保证金属能够顺利填充至四个减重孔中，减重孔成型面的侧立面拔模斜度为18-23°，减重孔成型面的底部圆角设置为R45-60，边缘位置圆角设置为R18-22，减重孔成型面的顶部转角处以SR460球面过渡。

该锻件的四个侧面为加工面，为节约材料成本、提高加工效率，在保证顺利出模的前提下，将锻件侧面拔模斜度设计成4-6°。

经计算锻造该柱窝需60吨锻锤，我公司最大设备为18吨模锻锤，属小设备打大锻件，打击能量不足，不能将锻件打靠，为保证锻件厚度尺寸，应适当减小终锻模膛深度，因此本次设计将模腔深度减小11-15mm，此外，由于设备能力不足，锻件始锻温度应控制在上限，设计时模膛收缩率取1.6%

如图8所示，因此类锻件严重超过设备锻打能力，底座柱窝底面加工余量设计为5-10mm，综合考虑焊缝及让焊缝倒角的使用要求，保证加工后倒角尺寸不小于图纸要求，上平面倒角25×45°锻件设计为27×45°，底面倒角20×30锻件设计为30×45。

如图3和图4所示，切边模块的设计，所述切边模具包括切边凸模和切边凹模，为节约成本，切边模架采取钢板拼焊的方式，切边凹模选择刃口5镶嵌的方式，基材选用27CrNiMo钢，刃口5焊材选用硬质合金，刃口热处理硬度HRc50-55，基材硬度HRc40—44。切边凸模材料选用40Cr，热处理硬度HRc35-40。

具体的成形过程如下：采用的生产设备为18吨全液压模锻锤和所述的大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具，锻件选用1320Kg的棒料下料，下料规格为φ500×865，原材料选用27CrNiMo钢连铸坯，切边设备为1600吨油压机；通过以下步骤生产：

1）锻件的毛坯料加热温度至上限温度1150°C-1200°C，锻模预热温度200°C-350°C，使用石墨乳润滑模具；

2）采用所述18吨全液压模锻锤连续锻打一定时间，保证锻打时间范围内，锻件温度高于900°C，直到锻打完成；

3）将锻件转移至所述切边设备上进行切边；

4）转移至沙坑堆冷却；

5）加工锻件的四个侧面及底面至设计尺寸，并采用机器人火焰切割四个立倒角。

在上述实施例的方案成形之前，做过一系列的工艺试验，其中，有两个参数是通过优化而来，分别是：减重孔的尺寸设计和锻件的高度余量设计。

减重孔在实验过程中，采用的是前低后高的不等高减重孔，减重孔侧立面拔模斜度设计成15°，圆角设计成R15-30，减重孔与底面相交处以SR460球面过渡，试验过程中发现锻件底面四角及减重孔边缘位置存在局部未充满现象，该问题是由于前后减重孔存在高度差、拔模斜度偏小、减重孔边缘位置圆角偏小导致，针对以上问题，对终锻模膛进行优化，一方面是调整前后减重孔高度尺寸，保证减重孔高度前后一致，另一方面减重孔侧立面拔模斜度由15°加大至20°，减重孔顶部圆角加大至R50，边缘位置圆角加大至R20。最终锻件充填问题得到解决。

锻件的高度余量在试验过程中，采用的模膛模腔深度减小8mm，该问题的出现是因为该锻件重量超差严重，属小设备打大锻件，目前国内没有进行过此类超大型柱窝的生产，根据以往经验预估不准确，考虑后期加工效率及材料利用率，将模具型腔深度减小量由8mm增大至 13mm，最终锻件高度余量问题得到解决。

通过对生产工艺、锻造模具的优化改进，成功研发出大高采液压支架用超大型、超高端底座柱窝锻件，表明了对于尺寸超大、锻重超重的超大型锻件，增大内壁拔模斜度、增大圆角及SR球面过渡、通过减小模膛深度以保证锻件厚度等方法可在实际生产中应用。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1.一种大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具，所述超大型底座柱窝模锻模具配合的锻件选用1320Kg的棒料，其特征在于：包括锻模，所述锻模包括上模和下模，所述锻模采用平直分模，所述上模上设置有球窝成型面，所述球窝成型面的球心相对锻件设计尺寸上移1.5-2.5mm，所述球窝成型面的窝口周边向下25-30mm范围内向外扩2-2.5mm；所述下模上设置有田字形分布的四个减重孔成型面，四个所述减重孔成型面的高度一致，减重孔成型面的侧立面拔模斜度为18-23°，减重孔成型面的底部圆角设置为R45-60，边缘位置圆角设置为R18-22，减重孔成型面的顶部转角处以SR460球面过渡；所述锻模的内腔侧面拔模斜度设置为6°，所述锻模的模膛深度较设计尺寸减小11-15mm，模膛收缩率为1.6%，所述上模的腔体底部设置25×45°的倒角，下模的腔体底部设置20×30°的倒角，锻模材料为5CrNiMo。

2.根据权利要求1所述的大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具，其特征在于：还包括切边模具，所述切边模具包括切边凸模和切边凹模，所述切边凹模的刃口通过镶嵌的方式安装在切边凹模上，所述切边凹模的基材为27CrNiMo钢，刃口热处理硬度为HRC50-55，基材硬度HRC40-44 ,所述切边凸模的材料选用40Cr，热处理硬度HRC35-40。

3.根据权利要求1所述的大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具，其特征在于：所述下模的腔体底部预留5-10mm的加工余量。

4.一种大采高液压支架用超大型底座柱窝成形方法，其特征在于：采用的生产设备为18吨全液压模锻锤和权利要求2所述的大采高液压支架用超大型底座柱窝模锻模具，锻件选用1320Kg的棒料，原材料选用27CrNiMo钢连铸坯，切边设备为1600吨油压机；通过以下步骤生产：

1）锻件的毛坯料加热温度至1150°C-1200°C，锻模预热温度200°C-350°C，使用石墨乳润滑锻模；

2）采用所述18吨全液压模锻锤连续锻打一定时间，保证锻打时间范围内，锻件温度高于900°C，直到锻打完成；

3）将锻件转移至所述切边设备上进行切边；

4）转移至沙坑堆冷却；

5）加工锻件的四个侧面及底面至设计尺寸，并采用机器人火焰切割四个立倒角。