矿用高强度紧凑链立环热挤压成形的工艺研究

卢坤宁 张 展

（西安重装澄合煤矿机械有限公司，渭南715300）

1 紧凑链立环概述

传统圆环链原材料为圆棒料，截面为圆形，且面积相等，两个环“十字”连接，两环接触点为线接触，接触面小，抗磨损能力差，在重型刮板输送机上应用寿命短。为适应刮板输送机高功率要求，提升圆环链破断负荷能力及寿命时间成为当前链环研究的主要趋势。在特定条件下，要想有效提高矿用圆环链力学性能、增加输送能力以及提高使用寿命，可以对链条尺寸和几何形状进行优化设计，紧凑链应运而生。紧凑链是一个以焊接圆环链为平环，锻造链环为立环，两环交错相接形成的链条。立环相对于圆环来说，外宽较小，直臂部位截面具有4个圆角矩形，顶部圆弧部截面积为圆形，按照相关规定，紧凑链立环零件如图1所示。

图1 紧凑链立环结构

圆环链相对立环具有以下优点：

（1）外宽小，可降低中部槽高低的尺寸，在同规格的中部槽上可使用大一个规格的紧凑链，能有效提高刮板输送机的运输能力；

（2）直臂部与中部槽接触面为面接触，耐磨性提高，如图2所示

（3）采用热挤压工艺，平环与立环采用同一个牌号材料，金属纤维走向相同，机械性能相同，整条紧凑链相对于锻造立环寿命更长。

目前多数厂家开始锻造成形立环，本文所研究的立环热挤压成形工艺，是将两种工艺进行对比、结合的最终设计工艺。

2 紧凑链机械性能及立环的几何尺寸

2.1 紧凑链机械性能

根据《矿用高强度圆环链》（GB/T12718-2009）、《矿用高强度紧凑链》（MT/T929-2004）规定，紧凑链机械性能应符合《矿用高强度圆环链》（GB/T12718-2009）中5.7的规定，如表1所示。

图2 紧凑链立环连接形式

表1 紧凑链机械性能

2.2 紧凑链立环几何尺寸

根据《矿用高强度紧凑链》（MT/T929-2004）规定，紧凑链立环几何尺寸如表2所示。

以Φ34mm×126mm为例进行几何尺寸相较，相关参数如表3所示。

两种链条的外宽相比，紧凑链立环的外宽为97mm，圆环链外宽为109mm。

3 紧凑链的工况分析

3.1 紧凑链（圆环链）服役基本条件

（1）承受传动拉力；

（2）由脉动负荷产生的疲劳；

（3）链条磨损，主要有链环与链环之间、链环与链轮之间、链环与中板和槽帮之间产生摩擦和磨损；

（4）链条腐蚀，由井下煤粉、岩粉及潮湿和酸性介质产生的腐蚀。

表2 紧凑链立环几何尺寸

表3 Φ34mm×126mm链环参数

3.2 紧凑链断链主要形式

（1）链条动负荷超过链条最小破断负荷，造成断链；

（2）动载荷产生的疲劳断链。

3.3 紧凑链防失效要求

（1）在相同材料和截面下，要有较高的承载力；

（2）在具有较大的破断负荷时，有较高的延伸率；

（3）一定的负荷下，塑性变形要小，保证良好的啮合；

（4）具有较高的韧性和抗冲击能力；

（5）有较高的疲劳强度。

3.4 立环锻造工艺简述

立环锻造现多采用锺上模锻工艺方法，制坯材料长度大于其直径。一般的材料利用率不大于60%。

3.4.1 立环锻造工艺流程

立环锻造工艺流程如下：下料→加热→制坯→锻造→冲内刺→冲外刺→修磨→去氧化皮，这只是立环单环工艺，制成半成品立环的几何尺寸与编制后平环尺寸相同，半成品立环与棒料在紧凑链编链机上进行编制→抛丸→圆环焊接→一次拉伸→热处理 二次拉伸→抛丸→浸柒可完成紧凑链的生产。

作为平环的圆环链使用材料为23MnNiMoCr54，这种材料最早为德国生产，近几年国内也开始生产出这种型号材料，最具代表性的生产厂家是江苏江阴兴澄特种钢铁有限公司，虽然材料牌号相同，但由于冶金技术不同，国产材料与进口材料综合性能还有一定的差距。特别是锻造立环所有的制坯材料，多采用Φ60mm以上规格材料，这个规格多数厂家铸造技术还不稳定，材料价格相对较高，现在很多厂家采用35CrMo或30CrMnTi这两种型号材料。平环所用的材料为23MnNiMoCr54，将30CrMnTi与23MnNiMoCr54材料化学成分进行对比，结果如表4所示。

与30CrMnTi相比，23MnNiMoCr54链条钢是增加了Ni元素、Mo元素含量，因此23MnNiMoCr54链条钢奥氏体温度提高至860℃，热处理回火温度为400～450℃。由于钢材中的Mo、Mn、Cr三种元素含量提高，链条回火稳定性好。

3.4.2 立环锻造工艺

同样以Φ34mm×126mm紧凑链为例，锻造立环各工序作用、设备和操作人员如表5所示。

主要的工艺过程如表6所示。

3.4.3 锻造工艺总结

该工艺使用毛坯材料重量4.79kg，成品重量2.864kg，材料利用率为59.8%。整个工艺分为6个步骤，设备6台，所使用的专用工装胎为4套。

4 热挤压工艺方案

紧凑链立环热挤压工艺主要是将焊接成形的单环，利用液压作用力在工装模具内一次挤压成形，具备工艺方法简单、工效高和成形好等优点。下面以Φ34mm×126mm紧凑链立环为例,进行工艺设计.各工序作用如表7所示。

表4 30CrMnTi、23MnNiMoCr54化学成分对比表

表5 Φ34mm×126mm紧凑链工艺表

表6 Φ34mm×126mm紧凑链工艺流程

表7 Φ34mm×126mm紧凑链立环各工序作用表

主要工艺过程如下：

（1）下料。材质为23MnNiMoCr54，Φ34mm×402.5mm重量为2.88kg，与锻造环相比，节省材料1.91kg。设备选择GZ4228

（2）编链。设备选择全自动热编链机，型号为FBL40/FJR250，加热部分为中频加热，加热的温度为850－950℃，加热器功率为250Kw。便后尺寸如图3所示。

图3 紧凑链立环编后尺寸

（3）焊接。采用闪光对焊方式，设备选取FCS-500全自动金属圆环链闪光对焊机，焊后尺寸如图4所示。

图4 紧凑链立环焊接后尺寸

其中节距P为121mm±0.4；内宽a为43mm±0.5；焊口直径d1为Φ34mm～36.5mm。焊后要求焊接处不能出现夹渣、烧伤、目测裂纹、凹痕、虚焊以及错口等缺陷。

（4）抛丸。除去表面的氧化层，设备选取链条抛丸清理机。

（5）挤压成形.将单环加热放入挤环机内，利用液压缸将热的单环挤压成形。

液压成形工艺过程如下：上缸压紧工件→前缸顶住工件→左右两侧缸将工件挤压成形，模具三维图如图5所示。

图5 液压成形工艺模具三维图

图中上心模与上缸相连，左右顶模与左右两缸相连，前顶模与前缸相连，连接方式为螺纹连接。各油缸动作时间顺序采用PLC程序控制。检验合格后，可进入下道工序。

5 立环挤压工艺优点

5.1 材料利用率高

挤压工艺立环材料利用率为100%，锻造工艺为59.8%。

5.2 工序简单

挤压工艺与锻造工艺相比，工序少，一次性投资设备少，且编链、焊接设备为圆环链的专用设备，只需要一台挤压设备；而锻造工艺需要四台专用设备，整个过程挤压工艺操作人员少，人工成本小。

5.3 工艺能耗低

挤压工艺过程中，只有一次链环加热，锻造工艺过程中需要三次加热，能耗大。

5.4 操作简单

挤压工艺使用设备少，操作人员少，容易实现机械化操作。

6 结语

本文对紧凑链立环采用两种不同加工工艺，挤压工艺立环从机械性及力学性能上都高于锻造工艺立环；在机械性能检测上，均可达到《矿用高强度圆环链》（GB/T12718-2009）标准要求，可进行大力推广。