锤式破碎机锤头挤压铸造工艺及模具设计

添加人：admin 发布时间：2017/7/3 9:13:59 来源：中国破碎机网

　　第一：吴夏玲，女，1983年出生，硕士研究生，北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京市西直门外上园村3号（锤式破碎机是水泥、陶瓷、矿山、电力等行业广泛使用的破碎机械，锤头是其主要的磨损件，其使用寿命很低，每年有11~20万锤材消耗。究其原因，除了其工作条件的特殊性外，选材以及成形工艺是重要的方面。
　　目前破碎机锤头主要采用普通砂型铸造方式或复合铸造方式生产。普通铸造成形的锤头因存在气孔、缩松、缩孔等缺陷以及晶粒粗大，在工作过程中与坚硬的物料冲击时，受到大的冲击力而发生破裂和磨损；而复合铸造锤头工艺复杂，且接合面处同一性差，易断裂和剥落，均不能很好的满足使用要求，造成材料的极大浪费。
　　挤压铸造技术作为一种铸造和锻造相结合的技术其应用在国内外受到广泛重视。研究表明，钢质挤压铸造件的品质比砂型铸造好，接近锻件品质，而且能获得较好的经济效益，目前已有多种机械零件采用挤压铸造工艺方法生产11，是具有广阔应用前景的一项材料成型技术。
　　考虑到锤头的使用性能要求较高，且结构简单完全可以利用挤压铸造技术进行生产，以解决普通铸造锤头使用寿命低的问题。
　　1锤式破碎机锤头的挤压铸造工艺设计11锤式破碎机锤头简介锤式破碎机锤头的零件结构见材质为ZMn3质量为5. ~220可见其为不加工件，长度和轴孔尺寸公差严格，壁厚不均匀，获得内部致密、尺寸合格的产品有一定困难。
　　12工艺方案设计根据锤头的使用要求，结合现场的挤压铸造机的特点，对锤头挤压铸造进行技术分析和工艺设计。
　　挤压铸造方式的选择：锤头属于规格多、批量大的产品。采用直接挤压只能1模1件，生产效率低，应当采用间接挤压铸造。与通常的间接挤压不同的是，锤头壁厚大且不均匀，所以，创造条件强化补缩是关键。
　　为此，采取了厚壁处开设内浇道，在高比压条件下实现补缩。挤压比压取200MPa采用间接挤压，1模3件，对称于压室周围均匀分布。故此选用的挤压铸造机型号是YS2-1250公称压力为12分型面的选择。根据工件的形状特点，为了使挤压铸造件容易从型腔中取出，并希望获得挤压充填成形的良好效果，同时便于模具加工及开模后挤压件留在下模，再根据锤头对称的结构，采用水平分模的方式，且工件在下模腔部分大于在上模腔的部分。由于要采用下模顶件，故将分型面取在25mm厚处的上表面（见b）。
　　生产现场的挤压铸造机只有上缸和下缸。其中上缸压力高达12500kN而下缸只有2000kN不足以提供要求的比压。根据这一设备特点，为了充分利用上缸锁模和挤压，采用浮动模的结构，即钢液浇注在下冲头的上方压室内，上缸带动上模与下模闭合后，继续下行，与下冲头形成相对运动，实现大压力的上缸提供挤压力。
　　340~1390°C之间，所以其浇注温度控制在1400°C~1430°C之间。挤压速度不能太大，太大会造成气体来不及排出，从而导致液锻件内气孔等缺陷的产生；液锻速度不能太小，太小时，液体金属表面已形成较厚的壳，导致挤压件质量不高。综合考虑，挤压速度取6mm/s为宜挤压比压为200MPa所选用的压机在压力和速度上均满足要求。
　　2模具设计21模具总体结构设计模具结构原理见模具主要分为上模、下模、冲头和弹簧4大部分。为节省材料，整个模具采用组合式，不同部分根据功能不同采用不同的材料。考虑到上、下模芯较易损坏，所以上模设计为上模芯2和上模套3；下模设计为下模芯12和下模套13由于冲头受到的热疲劳和热应力都很大，所以将冲头设计成冲头14、支撑板6垫块7三部分。上模芯2、下模芯12和冲头14由于功能需要，都采用H13钢制造；模套及其他定位部分采用45钢或TA等工具钢。通过对不同部位选用不同的模具材料，既能满足模具的强度和刚度等要求，也能降模具成本151.成型设备采用专门的挤压铸造机，其公称压力为12500kN下缸公称力为2 000kN该挤压铸造机的模具结构示意上模板2上模芯3上模套4下模固定板5碟形弹簧6支撑板7垫块8底座9连接杆10圆柱弹簧11限位螺钉12下模芯13.下模套14冲头15型腔上挤缸和底顶缸，加上碟形弹簧和圆柱弹簧的浮动作用，能在间接液锻条件下，完成锁模、挤压和顶件的作用。
　　模具的工作过程如下：活动横粱向下的运动过程中，带动上模板1和上、下模往下运动，压缩弹簧，而冲头14不动，相当于冲头上行挤压金属液，通过浇道进入型腔，完成充型和补缩过程。在这个过程中，浮动下模13先压缩圆柱弹簧10接着压缩碟形弹簧5进行金属液的充型和补缩。保压一定时间后，活动横梁卸压并带动上模2和3上行，浮动下模12和13由于活动横粱卸压也回到原位，型腔部分料饼在弹簧的回弹力作用下脱离冲头，至一定距离，下顶缸通过长顶杆，借助顶板上的小顶杆将锤头从型腔中顶出。手工取件，下顶缸卸压复位，上面的小顶杆通过复位弹簧和复位杆复位。经过吹扫、清理后，重新喷涂料，进行下一次循环。
　　22浇道系统设计对于间接挤压，浇道位置和尺寸的选择与设计将直接影响液锻件的质量。对锤头的头部，中部，端部这3部分：中部的厚度最小，只有25因此不适宜开浇道；设计浇道时应尽量避免合金液正面冲击型芯或型壁，以防止受冲击的部位过热，而引起粘附金属和磨损，因此也不宜在有型芯存在的头部开设。另一端是3个部分中最厚的地方，壁厚为50属于最后凝固位置。
　　由于轴孔芯的作用，轴孔端是最先凝固位置，其次是中部，最后才是端部凝固。浇道开在端部就实现了顺序凝固和压力的有效传递。
　　压室是储存钢水的空间，为了防止料饼过厚，考虑到下缸的压力，压室直径最大只能取200mm根据浇注量需要，压室的高度不应小于76mm浇道横截面选为梯形，梯形浇道散热慢，合金液流动平稳，压力传递好，适合这里使用。浇道的横截面积根据凝固时间和补缩原理151计算，首先要保证充型速度。浇道出口处的钢液速度与液锻速度的关系可以根据等流量原理写为：在使用时，挤压速度最小为10mm/s这是由现场的挤压铸造机决定的，而允许充型的最大速度为5m/s51，于是计算得浇道截面积不应小于628mm.浇道在压室和型腔上的开口度分别取49mm和35mm这样能保证充型速度平稳，便于压力的传递。
　　23顶出力计算和顶出机构的设计为使液锻件便于脱模，在型腔四周上留有1 5°的斜度。
　　因为该零件的头部的圆孔部分（见锤头零件图）将由型芯制成。为了减小脱模时的型芯上的包紧力，这里取型芯的斜度为04°再大将难以保证轴孔的尺寸公差要求。依据公式15，计算型芯的包紧力如下：p=SLqkcs―sin L为型芯域凸模）被包紧部分的长度，mmq为脱件时的包紧应力，MPa通常建议为10~20MPa但对于钢质挤压，这个数值太小。依据前期的现场试验，取为120MPak为摩擦系数，铝合金，锌合金为0 2~025铜合金为035这里取035为起模斜度，这里取公式（2池适用于锤头周边脱件力计算其他参数不变，起模斜度a取1.5°经过计算锤头上的顶出力大于金属液对型芯的包紧力与周边脱件力之和，满足要求。这个空腔的半径误差要求在0~05mm之间，经过计算，尺寸上也满足这一要求。在锤头的使用过程中，这个圆孔将套在锤式破碎机的轴上，两端如果有过大的尺寸差将对轴产生破坏作甩因此，型芯斜度取04°也考虑到了这一点。
　　具体顶出机构靠两套顶板和顶杆来实现。见下面的顶杆和顶板通过连接杆9与下顶缸相连，而下面的顶杆通过上面的顶板和顶杆将液锻件顶出型腔。
　　24排气系统型腔内的气体在挤压过程中应能顺利排出，否则不能获得轮廓清晰的挤压件。严重时可能产生卷气现象，挤压件内便产生气孔、针孔等缺陷。
　　在这套模具设计中，利用气体往上走的原理，排气主要依靠从型芯上面的孔和锤端部排气塞，以及从这两个部分引出的排气槽来实现的。在上模芯2和上模套3的下底面，分别从3个锤头的型腔引出排气槽，将气体排出。
　　25保证产品尺寸的措施由于该件的尺寸要求严格，又不加工，所以，必须采取措施保证其尺寸精度。根据产品最终的尺寸要求，在模具设计时有以下几个保证措施：考虑金属冷却收缩和模具受热膨胀两个因素，根据前期的现场试验，这里型腔的长度尺寸和宽度尺寸较零件图分别有了33%和22%的增加。在浇注过程中，金属液过多或过少只会影响最终“料饼”厚度，不会影响产品的尺寸。
　　零件头部孔的尺寸误差范围为0 5mm为了保证这一点，型芯的斜度只能取在0 4°才能将孔的上下半径差控制在要求范围内。
　　3结语现场试生产证明：利用挤压铸造工艺生产的锤头，不仅可以克服普通铸造生产的缺陷，如气孔、缩松、缩松，也可以消除由于材料不同造成的结合面易断裂的问题181；与普通砂型铸造生产的锤头相比，其晶粒度提高了1级，冲击韧度提高了20%以上。因此应用挤压铸造的方法生产破碎机锤头是可行的。采用高比压就可以得到组织致密的挤压件；控制挤压速度、挤压力、合理布置排气，能有效的避免成形缺陷，提高挤压件质量。
　　所以，通过合适的模具设计和相应的挤压机的选择，就能使得挤压铸造工艺在黑色金属中得以应用和推广，同时取得显著的经济效益。