液压支架连接头的模具设计及热处理工艺研究

液压支架连接头的模具设计及热处理工艺研究

杨家山苏晓冰

（1.平顶山天安煤业股份有限公司技术监督中心；2.平顶山中南矿用产品检验检测有限公司，河南平顶山467000）

摘要：根据连接头的几何形状，认真分析了该件的可锻性、技术难度、工艺特点，通过反复计算、思考、研究，确定锻造方法决定选用开式模锻，选定分模面、拔模斜度，模腔形状等，进行了模具设计与制造。在热处理方面，根据连接头的材质及锻件的几何特点，选氮化作热处理工艺，提高模具寿命。

关键词：模具；设计；热处理工艺

中图分类号：TG162.4文献标识码：A文章编号：1673-0992（2010）05A-0163-01

液压支架是矿用支护设备，连接头是液压支架的零部件，图纸要求是锻件，根据连接头的几何形状，认真分析了该件的可锻性、技术难度、工艺特点，通过反复计算、思考、研究，根据现有的设备情况及设备特点，选定设备，确定锻造方法决定选用开式胎模锻，并选定了切边设备，以此决定了锻模和切边模的结构形式，选定分模面、拔模斜度，模腔形状等，进行了模具设计与制造。

一、连接头模具初锻设计

在模具设计过程中，依据连接头的形状及大小，批量以及不同规格的液压支架其连接头的中心距不同的特点，将模具设计为初锻和终锻，两次锻造均采用合模的结构形式，即上半模和下半模合为一体使用，其模具初锻设计图纸如下：图一为连接头初锻上半模、图二为连接头初锻下半模。

图一连接头初锻上半膜

图二连接头初锻下半膜

二、连接头模具终锻设计

连接头经过初锻后，其一端基本成形，然后再次加热，放入终锻模具中，这样使其另一端成型，然后去飞边打磨，最后成型为连接头锻件。其模具终锻设计图纸如下：图三为连接头终锻上半模、图四为连接头终锻下半模

图三连接头终锻上半膜

图四连接头终锻下半膜

在工艺方面，根据连接头的几何形状，认真分析工艺特点，制定出制坯——模锻——切边的基本工步。经过反复计算证明该套模具的开发、研制是成功的，工艺是可行的。

该模具的材质是5CrMnMo，根据5CrMnMo锻模的工作环境，锻打时，在锻锤强大的作用力下使坯料在模腔内流动，坯料与型腔表面产生剧烈磨擦，极易使型腔表面磨损；同时锻模要在不断反复冷热的条件下工作，由于冷热交变的结果，模腔表面在变应力作用下也容易产生裂纹；锻模的工作温度较高，其模腔及易高温氧化。在使用过程中，锻模磨损、疲劳和模腔高温氧化是锻模失效的主要原因，因此对热循环条件要求较高的锻模在不改变材料的情况下，可以给予适当的表面处理，提高其表面的硬度和耐磨性，而保持其心部有足够的塑性和韧性。在钢的热处理方法中，由于氮化，工艺较简单，生产周期短，为此我们对锻模进行氮化工艺研究，以提高锻模的工作寿命。

三、锻模材质的特点

锻模用材料为5CrMnMo，其化学成分如下：C（0.50%～0.60%）Si（0.25%～0.60%）Mn（1.20%～1.60%）Cr（0.60%～0.90%）Mo（0.15%～0.30%）

5CrMnMo含碳量为0.50%～0.60%，它能使钢热处理后获得良好的综合机械性能。既获得适当的硬度和韧性，Cr、Mn的作用主要使钢的淬透性、耐磨性和抗回火稳定性提高，Mo能抑制钢的回火脆性而使晶粒细化，C、Mn、Mo与N原子结合形成氮化物。5CrMnMo各临界点：Ac1=730℃；Ac3=772℃；Ar1=660℃；Ms=220℃。

四、试验方法

1.锻模氮化前热处理

锻模加工成型后，进行淬火+回火处理。淬火温度为870℃，保温时间t淬按1～1.5分钟/mm计算，加热时模腔用“生铁屑+渗碳剂”保护，以防止模腔脱碳。冷却方式采用油冷。

回火温度为550℃，回火保温时间t回为淬火保温时间的2～3倍。经以上热处理后锻模模腔硬度HRC45。

（淬火+回火）热处理曲线如图五

2.氮化机理

由铁氮系相状态图可知，当在低于共析温度（590℃）进行氮化时，首先在表面形成α相，当α相的氮浓度达到饱和时就转变为γ’相，而当γ’相的氮浓度达到饱和后就会形成ε相。于是，在此氮化温度下得到一层氮化层。

3.锻模氮化工艺

氮化所用设备为：LD—50A1。

氮化温度为530℃，保温时间为11h。

保温阶段辉光电流密度为3～5mA/cm2，保温阶段电压为550～750V，供氨量为380mL/min。

氮化工艺曲线如图六

锻模经氮化后，模腔维氏硬度为HV750，氮化层厚度为0.4mm。

4.经氮化后进行模具寿命试验

未经氮化的锻模，可锻工件大约5000件，经氮化处理的锻模可锻工件12000件左右，寿命提高2倍多。

五、试验结果分析

锻模经氮化后，材料中的铬、锰、钼元素能与氮形成氮化物，但在氮化过程中主要还是铁和氮的作用，这种氮化物熔点高，硬度高。因此锻模氮化后表层有很高的耐磨性、热硬性、高的疲劳强度等特点。

由于氮化层中的ε相致密度高，化学稳定性强，所以具有较高的抗氧化性。

六、结论

锻模的工作温度较高，其模腔易高温氧化。锻模磨损、疲劳和模腔高温氧化是锻模失效的主要原因，因此对热循环条件较苛刻的锻模在不改变材料的情况下，可以利用适当的表面处理，提高其强韧性使用性能。

锻模经氮化后，其耐磨性、疲劳强度、抗氧化性均有较大提高，可延长锻模使用寿命。⑤①

作者简历：杨家山（1973—）男，吉林桦甸人，工程师，1995年毕业于阜新矿页学院，主要从事煤矿质量技术监督研究工作。

参考文献：

[1]大连工学院编.金属学及热处理.北京机械工业出版社.1975

[2]曾正明编.实用工程材料技术手册.北京.机械工业出版社.2000

[3]林道孚等编.模锻工工艺学.北京.科学普及出版社.1982

[4]田绍敏编.钢的化学成分及热处理工艺参考手册.北京.能源出版社.1988