一种锻造钢球的制造设备系统及生产工艺的制作方法

本发明涉及一种锻造钢球的制造设备系统及生产工艺，属于锻压制造领域。

背景技术：

耐磨钢球根据生产加工工艺分为研磨钢球、锻造钢球、铸造钢球；根据加工材料分为轴承钢球、不锈钢球、碳钢球、合金球等。其中合金钢球是以碳、铬、锰、钼等为主要添加金属元素，并通过锻打、旋压、轧制和铸造等方式生成的一种球状形铁合金耐磨体，它是当今粉碎工业矿山用球，水泥用球等最重要组成部分。钢球是钢球、钢段及异形研磨体的泛称。从外形来分，可分为正圆形球、胶囊球、椭圆球、阴阳球、空心球、多面球、多缺球等。

目前铸造钢球存在表面粗糙，浇注口的部位在使用过程中容易发生平顶并产生变形和失圆，影响磨矿效果；内部疏松，由于采用浇注成型，球的内部组织粗大，在使用过程中破碎率高、冲击韧性小，球越大、磨机越大，产生破碎的几率也就越大；不适合湿磨，铸球的耐磨性取决于含铬量，铬含量越高越耐磨，但铬元素的特点是易腐蚀，铬越高越易被腐蚀，特别是矿石中的硫，以上的湿磨条件下使用铬球会造成成本加大、产量降低，铸造钢球市场逐渐被锻造钢球所代替。

目前市场上锻造钢球的设备主要是空气锤，空气锤锻造钢球，因为空气锤的打击能量小，每个钢球需要长时间多次连续打击，生产效率低，很难满足生产需求量；且空气锤锻打钢球，由于其打击能量小，打击时间长，大直径钢球还没打好的情况下其温度已经下降至无法继续锻打的程度，因此不能生产大直径钢球，从而限制钢球的使用范围和使用寿命；另外，因为空气锤无法精确控制打击能量，受其所用模具的限制，打击时其上模和下模无法组成一个完整的球形，导致锻出的钢球圆度不够；若强制使上模打击下模，则设备损坏很快。

传统的锻造钢球工艺，钢球在锻造过程中充不满模具的上下两个底部，导致锻造出的钢球存在上下两个平端面，从而也导致使用寿命低。另外，锻造出的钢球还存在内部金属相组织不均匀等问题。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种锻造钢球的制造设备及生产工艺，通过制造设备的选择设计和生产工艺流程的优化，提高锻造钢球质量，提高生产效率。

本发明采用的技术方案如下：一种锻造钢球的制造设备系统，包括数控模锻锤；所述数控模锻锤包括锤头、机身、滑块、上砧座、下砧座、钢球模具；所述上砧座和下砧座分别安装在锤头和机身上；所述钢球模具包括上卡胎、下卡胎、上模芯、下模芯；所述上卡胎和下卡胎分别安装在上砧座和下砧座上；所述上模芯和下模芯安装在上卡胎和下卡胎上；在所述下卡胎和下模芯的中心开有通孔，在所述通孔内安装有所述出料杆和顶料杆；所述钢球模具为闭式模锻钢球模具，所述上模芯和下模芯的模膛内腔为半球形，上模芯和下模芯合上后形成完整的球形模膛内腔；进一步的；所述上砧座与锤头、下砧座与机身、上卡胎与上砧座、下卡胎与下砧座、上模芯与上卡胎、下模芯与下卡胎的安装方式为楔铁固定；进一步的；还包括如下设备：中频加热炉、棒料剪切机、移载装置、滚圆机、等温机、淬火机；进一步的；所述滚圆机包括机架、左轧辊、右轧辊，所述左轧辊、右轧辊为带半圆的螺旋孔型轧辊，其轴向中心线相互交叉1°到10°的角度，工作时左轧辊和右轧辊同向同步旋转；进一步的；所述上模芯和下模芯由5CrNiMo类型的热作模具钢材制作；进一步的；应用了上述的锻造钢球的制造设备系统，采用闭式模锻，工艺步骤如下：

A、将来料加热到材料锻造的温度；

B、对来料进行分段剪切；

C、将剪切后的料段转移到所述数控模锻锤的钢球模具上进行锻造；

D、将锻造后的钢球进行外形整形处理；

E、将整形后的钢球进行热处理。

进一步的；所述步骤A中采用中频加热炉加热，所述步骤B中采用棒料剪切机剪切，所述步骤C中采用移载装置转移料段，所述步骤D中采用滚圆机进行整形，所述步骤E中采用等温机、淬火机进行热处理。

进一步的；所述步骤A中的加热温度为1100±20℃。

进一步的；所生产的锻造钢球的表面硬度达到55-65HRC，体积硬度达到50-63HRC，且硬度梯度分布均匀；冲击韧性大于12J/cm²。

采用数控模锻锤锻造钢球，钢球整体硬度高，表面硬度可达到55-65HRC，体积硬度达到50-63HRC，且硬度梯度分布平均；冲击韧性高：冲击韧性大于12J/cm²；破碎率低：抗破碎性是一般铸造锻磨球的10倍以上，落球冲击次数2万次以上，实际破球率不高于1%；不变形，钢球由始至终不会变形、失圆；最终制造的铸造钢球的表面硬度达到55-65HRC，体积硬度达到50-63HRC，且硬度梯度分布均匀；冲击韧性大于12J/cm2。钢球外形尺寸范围大，钢球规格不受限制，可生产直径200毫米以上的钢球。

本发明产生的有益效果是：通过采用数控模锻锤自动化锻打钢球生产，充分利用数控模锻锤的优点如打击速度快、能量范围大、能量可精确控制、生产效率高、 使用范围广、操作简单安全、配合机器人可以实现自动化生产线等特点，具有投资少、效率高，生产钢球尺寸范围大，可生产直径200mm以上的钢球，最大直径可达到450mm；这是空气锤无法实现的，在采用闭式模锻的情况下，钢球模具的使用寿命还可以达到空气锤的3倍，这是在研发生产之前没有预料到的，钢球模具使用寿命的延长有效的降低了钢球生产中的模具消耗成本。

通过采用闭式模锻钢球锻造工艺，强制性让原材料充满型腔，无飞边产生，模锻时坯料金属在封闭的球型模具模膛内腔中成型，使得钢球锻件的几何形状、尺寸精度、表面质量最大限度的接近成品钢球，提高了钢球的圆度，具有节约材料、节约能源、提高钢球的力学性能和生产效率等优点；同时在闭式模锻钢球模具中设计了出料杆和顶料杆，在锻造前进料时，出料杆和顶料杆处于落下状态，当锻造完成锤头提起后，出料杆和顶料杆上升，将钢球顶起，方便出料，提高了生产效率；采用滚圆机对钢球进行精整，包括圆度修整和去毛刺，有效的提高了钢球的圆度，其圆度可达到0.98以上，明显延长钢球的使用寿命。

同时采用优化的生产工艺流程，采用中频加热炉加热、棒料剪切机裁剪、数控模锻锤锻造、滚圆机整形、保温机和淬火机热处理等步骤，使得原料既可以用热轧圆钢，也可以用热轧钢坯，坯料长度不限，易于组织生产，操作简单安全，所生产的钢球表面质量好、钢球圆度好、硬度大、钢球内部组织更细密，大大延长了钢球的使用寿命，且生产的钢球规格不受限制、配合锻造机器人可以实现自动化生产线，大大提高生产效率。

附图说明

图1数控模锻锤示意图。

图2钢球锻造工艺示意图。

图3数控模锻锤自动化锻打钢球生产工艺设备布局示意图。

图4闭式模锻钢球模具结构示意图。

图5滚圆机示意图（上部分为侧视图，下部分为俯视图）。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但并不因此将本发明限制在具体的实施例中。

附图标记如下：加热炉1，棒料剪切机2 ，机器人3 ，数控模锻锤4，滚圆机5，等温机和淬火机6，锤头41，机身42，滑块43，下砧座44 ，电制冷45 ，钢球模具46，上砧座47，上卡胎461，下卡胎462，上模芯463 ，楔铁464 ，下模芯465，出料杆466，顶料杆467，机架51，右轧辊52 ，左轧辊53 。

一种锻造钢球的制造设备系统，本发明的所述的锻造钢球可以为直径大于等于20mm小于30mm、或可以为直径大于180mm小于等于450mm的锻造钢球，上述直径范围内的锻造钢球在目前的空气锤上基本无法实现，锻造钢球的制造设备系统包括数控模锻锤；由图1和图3可知，数控模锻锤4主要包括锤头41、机身42、滑块43、下砧座44 、电制冷45、钢球模具46等组合零部件，其中钢球模具分为两部分分别安装在数控模锻锤的上砧座47和下砧座44上，用楔铁固定；上砧座47和下砧座44分别安装在锤头41和机身42上，用楔铁固定。

由图4可知，闭式模锻钢球模具由上卡胎461、下卡胎462、上模芯463、楔铁464、下模芯465、顶料杆467、出料杆466等零部件组成，其中上、下模芯是直接锻造模具的执行者，需采用5CrNiMo类型的热作模具钢材制作，上模芯463和下模芯465通过楔铁464分别与上卡胎461和下卡胎462牢固安装，通过楔铁的卡紧或者拆卸，便于上、下模芯的更换与维修，降低了模具生产成本。

锻造钢球的生产主要是靠数控模锻锤进行锻造的，充分利用数控模锻锤打击速度快、能量范围大、生产效率高、 使用范围广、操作简单安全、配合锻造机器人可以实现自动化生产线等特点，锻造出的钢球具备圆度好、钢球表面质量好、钢球内部组织更细密，产品质量得到了很大的提高，延长了钢球的使用寿命。

由图2和图3可知，锻造钢球的锻造生产工艺和生产线设备布局：首先将来料的圆棒料整体通过中频加热炉加热，加热到1100±20℃，然后用料棒剪切机进行分段剪切下料，剪切成长度为H、直径为φD的料段，高温的圆棒料段经机器人夹持到数控模锻锤的钢球模具上，直接进行钢球的锻造，接着对锻造后的钢球进行整形得到半径为SRd的钢球，然后根据钢球的不同用途，采用行业内通用的不同的热处理工艺，从而保证钢球质量和使用寿命。

数控模锻锤自动化锻打钢球，利用闭式模锻钢球模具，采用闭式预锻，强制性让原材料充满型腔，提高钢球的圆度，延长钢球使用寿命。由图3可知生产线主要设备包括加热炉1、棒料剪切机2、 机器人3、数控模锻锤4 、滚圆机5和等温淬火机6。加热炉和棒料剪切机负责把原棒料进行加热和分段，移载装置将分段的热棒料夹持到数控模锻锤钢球模具中，数控模锻锤按照预先设定的能量对钢球进行锻打，经过两锤到三锤的锻造，过程仅仅5到6秒钟，钢球基本完成锻造成形，经顶料杆466和出料杆467将钢球顶出下模芯465，传送到滚圆机进行外形整形，整个钢球锻造流程结束，最后经过等温机、淬火机进行热处理，利用锻造后的钢球余热对钢球进行热处理，改善内部组织，提高钢球的整体硬度，延长钢球使用寿命。本发明中的机器人可采用美国ABB公司生产的移载机器人。

图5示意了一台滚圆机的主要结构和工作部分，主要包括机架51、右轧辊52、左轧辊53，左、右轧辊为带半圆的螺旋孔型轧辊，其轴向中心线相互交叉5°的角度，工作时左、右轧辊同向同步旋转，钢球在中间进行圆度修整和去毛刺，有效的提高了钢球的圆度，延长钢球的使用寿命。

通过数控模锻锤锻造钢球，钢球整体硬度高，表面硬度可达到55-65HRC，体积硬度达到50-63HRC，且硬度梯度分布平均；冲击韧性高，冲击韧性大于12J/cm²；破碎率低，抗破碎性是一般铸造锻磨球的10倍以上，落球冲击次数2万次以上，实际破球率不高于1%；生产的钢球规格不受限制，可生产直径200mm以上的钢球；且钢球在使用时由始至终不会变形、失圆。

数控模锻锤自动化锻打钢球生产，充分利用数控模锻锤的优点，具备生产效率高、钢球圆度好、钢球表面质量好、钢球内部组织更细密、 钢球规格不受限制、操作简单安全、配合锻造机器人可以实现自动化生产线等优点。锻造出的钢球与空气锤产品相比有如下表所示的特点，被广泛应用于矿山、钢厂、化工、建材、水泥、冶金、火电厂等行业。

本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。