基于Deform的刮板鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)研究

王 凡 王力爽

(沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110168)

煤機(jī)刮板是礦用刮板傳送機(jī)廣泛使用的關(guān)鍵配件之一，其機(jī)械性能和產(chǎn)品質(zhì)量直接影響到煤炭業(yè)的安全生產(chǎn)和企業(yè)的效益。由于煤機(jī)刮板在使用中工況環(huán)境極差，必須承受較強(qiáng)的沖擊和摩擦，所以要求較高的機(jī)械強(qiáng)度。以往鑄造刮板因?yàn)闄C(jī)械性能差、易斷裂、磨損快等缺點(diǎn)導(dǎo)致了其逐步被企業(yè)淘汰。相反，鍛造刮板由于機(jī)械性能好、耐磨損、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)目前正被煤機(jī)企業(yè)廣泛使用。

煤機(jī)企業(yè)對(duì)刮板的需求量較大、品種也較多，而傳統(tǒng)的模鍛設(shè)計(jì)在生產(chǎn)中一直采用“試鍛－修正－再試鍛”的工藝方法，在實(shí)際生產(chǎn)中需要較長(zhǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加之激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，使得這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的需求。利用有限元仿真模擬分析軟件Deform，可以模擬自由鍛、模鍛、輥鍛等多種鍛造工藝過(guò)程，可以提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，如材料流動(dòng)、模具填充、鍛造負(fù)荷、模具應(yīng)力、缺陷產(chǎn)生和發(fā)展情況等。這使得Deform軟件在刮板的鍛造生產(chǎn)中有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

1 典型煤機(jī)刮板模鍛工藝分析

本文采用的煤機(jī)刮板三維鍛件圖如圖1a，其材料為40Mn2，屬于錳鋼組合金結(jié)構(gòu)鋼，鍛造加熱溫度為1 160～1 200℃，終鍛溫度為850℃。鍛件質(zhì)量為86 kg。生產(chǎn)中采用5 t自由鍛錘制坯，16 t模鍛錘終鍛，并由1 250 t熱摩擦壓力機(jī)熱切毛邊。其鍛造技術(shù)要求為:

(1)鍛件表面不得有裂紋、缺肉、過(guò)燒等缺陷，氧化皮、凹坑和鑲嵌物的深度不得大于1 mm。

(2)鍛造后修平毛刺，分模面錯(cuò)移量不大于2 mm。

(3)刮板兩臂在任意方向彎曲變形不大于2 mm。

煤機(jī)刮板屬于比較復(fù)雜的大型鍛件，成型難度較大，生產(chǎn)工藝要求較高。根據(jù)整個(gè)生產(chǎn)工藝制定其鍛造工藝路線為:下料—加熱—制坯—冷卻—檢驗(yàn)—加熱—模鍛—切邊—冷卻—檢驗(yàn)。在跟蹤整個(gè)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，工藝路線中影響鍛造質(zhì)量的主要因素是制坯和溫度的控制，其他只要按照工藝安排正確進(jìn)行，對(duì)鍛造質(zhì)量的影響不大。這與鍛件質(zhì)量較大，工人制坯困難和環(huán)境溫度的不確定性有關(guān)。

1.1 刮板制坯對(duì)鍛造成型的影響

鍛造生產(chǎn)中鍛件制坯可以為模鍛成形提供合理的坯料形狀和尺寸，使金屬容易充滿(mǎn)終鍛模膛，減少終鍛模膛磨損，并延長(zhǎng)其使用壽命。由于此刮板的截面較多，變化較大，在實(shí)際生產(chǎn)中如果直接使用圓棒料鍛造的話(huà)，將會(huì)形成折疊、局部填充不足等鍛造缺陷。其各截面圖如圖2a。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到A－A截面到E－E截面的面積分別為 :10 539 mm2、4 509 mm2、5 226 mm2、10 701 mm2、5 780 mm2。從中可以看出A－A截面與D－D截面，C－C截面與E－E截面的面積相差不大，考慮到此鍛件較重，截面過(guò)多時(shí)工人操作困難等因素，根據(jù)D－D截面及對(duì)應(yīng)的毛邊槽面積選擇φ125 mm的棒料后，制坯時(shí)只在對(duì)應(yīng)的E－E截面處進(jìn)行拔長(zhǎng)制坯即可，其制坯圖如圖2b所示。

1.2 溫度對(duì)鍛造成型的影響

溫度是影響塑性和變形抗力的主要因素之一，對(duì)產(chǎn)品鍛造后的組織形態(tài)影響較大。由于本產(chǎn)品屬于較長(zhǎng)的大型模鍛件，加熱、鍛造、冷卻時(shí)溫度變化和分布不均勻性大，因而會(huì)影響金屬塑性流動(dòng)，并產(chǎn)生很多的鍛造缺陷。

實(shí)踐表明，生產(chǎn)中很多因素會(huì)影響到溫度的控制。如:加熱爐爐溫、終鍛模膛的模溫、工件與環(huán)境溫度的傳導(dǎo)等。這些因素會(huì)直接導(dǎo)致鍛造過(guò)程中鍛件在形狀上發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形與長(zhǎng)度尺寸超差;在組織形態(tài)上產(chǎn)生發(fā)達(dá)的柱狀晶粒及粗大的不均勻結(jié)晶，使其出現(xiàn)敏感性開(kāi)裂、白點(diǎn)和組織性能的嚴(yán)重不均勻性。因此對(duì)溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)此產(chǎn)品的模鍛成型非常重要。

2 基于Deform的模鍛成型仿真分析

由于Deform－3D V6.1不具有建模功能，其模型必須通過(guò)其它三維軟件來(lái)完成。筆者以UG NX6.0軟件完成工件和模具幾何體的造型，輸出為Deform支持的STL文件格式，來(lái)構(gòu)成熱模鍛的分析對(duì)象。此次模擬的模具材料為熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，模具預(yù)熱到90℃，工件從加熱爐中取出的初始溫度為1 200℃。

非等溫?zé)崮ｅ懛抡孢^(guò)程不僅要模擬模鍛過(guò)程，還要模擬熱傳導(dǎo)過(guò)程，因此整個(gè)仿真模擬過(guò)程分以下兩個(gè)階段進(jìn)行(分析過(guò)程中根據(jù)軸對(duì)稱(chēng)性，選擇工件和模具的1/4對(duì)稱(chēng)面來(lái)進(jìn)行分析，以減少模擬時(shí)間)。

2.1 工件與外界環(huán)境熱傳導(dǎo)模擬

該階段是工件加熱后移動(dòng)到模具的過(guò)程，工件在空氣中的移動(dòng)時(shí)間為20 s，工件只與外界環(huán)境發(fā)生熱傳導(dǎo)。

(1)設(shè)置模擬初始條件:模擬采用“SI”公制單位，模擬類(lèi)型選取“Heat transfer(熱傳導(dǎo))”同時(shí)關(guān)閉“Deformation(變形)”，模擬步數(shù)為50步，模擬中不設(shè)主模具，步長(zhǎng)選用“With Time Increment”且值為0.4 s。

(2)劃分網(wǎng)格:Deform軟件提供相對(duì)網(wǎng)格和絕對(duì)網(wǎng)格兩種劃分方式。使用絕對(duì)網(wǎng)格劃分，用戶(hù)只需指定最小單元大小和單元尺寸比率，系統(tǒng)根據(jù)對(duì)象幾何模型形狀復(fù)雜程度決定網(wǎng)格數(shù)量，形狀越復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)量越多。該方法更能提高模擬的正確性，所以此次模擬采用絕對(duì)網(wǎng)格劃分。設(shè)置毛坯的最小單元尺寸為1 mm，模具的最小網(wǎng)格為6 mm，尺寸比例都為3。

(3)設(shè)置熱傳導(dǎo)邊界條件:在此設(shè)置環(huán)境溫度為20℃，并選取坯料的外表面為熱傳導(dǎo)邊界。

通過(guò)上述前處理設(shè)置，并分析求解后就可以通過(guò)后處理得到工件最后的溫度分布圖，如圖3。

2.2 模鍛過(guò)程模擬

這個(gè)階段的模擬，毛坯不僅發(fā)生變形而且還與下模發(fā)生熱傳導(dǎo)，為了盡可能地模擬真實(shí)的打擊情況，特設(shè)計(jì)了6次熱交換和6次錘擊。熱交換模擬的邊界條件可不再定義，對(duì)象間關(guān)系只與下模定義自由接觸(Free Resting)傳熱系數(shù)，為默認(rèn)值。錘擊模擬時(shí)上模的運(yùn)動(dòng)設(shè)置選擇為“Hammer”，鍛錘打擊能為全部質(zhì)量400 MN·s2/mm的1/4，鍛錘質(zhì)量為全部質(zhì)量16 N·s2/mm的1/4。錘擊模擬中只需要對(duì)第一次錘擊設(shè)置變形邊界條件。對(duì)象間關(guān)系需要與上下模設(shè)定摩擦系數(shù)和成形(Forming)傳熱系數(shù)，都為默認(rèn)值。其完整的模鍛過(guò)程為:

(1)工件與下模熱傳遞過(guò)程，1 s停留時(shí)間。模擬步數(shù)為10，模擬步長(zhǎng)選擇“With Time Increment”方式，值為常量0.1 s。

(2)第1次錘擊。模擬步數(shù)為70，模擬步長(zhǎng)選擇“With Die Displacement”方式，值為常量0.4 mm。有效錘擊力為80%。

(3)工件與下模熱傳遞。移開(kāi)上模，初始化關(guān)系，并運(yùn)1 s熱交換。

(4)第2次錘擊。與步驟(2)相同。

…… …… …… ……

(11)工件與下模熱傳遞。與步驟(3)相同。

(12)第6次錘擊。

(注:從第3次到第6次錘擊的模擬步數(shù)分別為60、50、40、30，其余設(shè)置相同。)

上述每一步做完前處理相關(guān)工作后，可生成包含模擬對(duì)象和求解算法的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，計(jì)算機(jī)可對(duì)此數(shù)據(jù)庫(kù)文件自動(dòng)求解。

2.3 模擬結(jié)果分析

模擬運(yùn)算結(jié)束后，在后處理模塊中導(dǎo)入運(yùn)算完的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，最終可得到鍛件成形分析、鍛件溫度分析、金屬流動(dòng)速度場(chǎng)分析等重要數(shù)據(jù)，這些重要的數(shù)據(jù)對(duì)于最后確定坯料規(guī)格、設(shè)備噸位、模具結(jié)構(gòu)，以及確定最終的工藝方案有著非常重要的作用。

(1)從鍛件成型分布圖4a可以看到，鍛造刮板整體完好，沒(méi)有折疊、局部填充不足的鍛造缺陷，且模擬中模具可以安全閉合不存在鍛造壓力不足的問(wèn)題，這說(shuō)明刮板制坯與鍛造的設(shè)備選擇是正確的。但仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，鍛件毛邊在刮板頭部分布并不均勻且厚度加大，說(shuō)明坯料的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不合理，制坯工藝還有改進(jìn)空間，可以進(jìn)一步優(yōu)化提高鍛造利用率。

(2)從鍛件溫度分析圖4b可以看出，切邊后刮板的溫度在1 140～974℃，而材質(zhì)為40Mn2的鍛件淬火溫度為830～850℃。這說(shuō)明此刮板可以實(shí)現(xiàn)余熱淬火，這對(duì)需要余熱淬火的刮板可以提供重要的溫度數(shù)據(jù)。

(3)從金屬流動(dòng)速度場(chǎng)圖4c可以看到金屬流動(dòng)速度在刮板壁邊與毛邊處減小到零，這符合鍛造模具設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明模具設(shè)計(jì)中拔模斜度與毛邊槽設(shè)計(jì)合理，且可以通過(guò)此數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)到模具填充與磨損情況，對(duì)以后模具的維修有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

圖1b為經(jīng)過(guò)改進(jìn)鍛造工藝后得到的具有較高質(zhì)量的刮板鍛造坯件。在應(yīng)用中取得了良好的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

在煤機(jī)刮板以及其他大型模鍛件的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)運(yùn)用Deform等有限元仿真分析軟件，可以有效地解決刮板在設(shè)計(jì)和成產(chǎn)中存在的問(wèn)題，在以下方面比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有著更為突出的作用:

(1)可以?xún)?yōu)化產(chǎn)品及模具的設(shè)計(jì)方案，減少了初次設(shè)計(jì)中大量的試制過(guò)程，極大地降低了產(chǎn)品試制費(fèi)用。

(2)可以極大地提高產(chǎn)品的利用率，避免了以后反復(fù)的工藝改進(jìn)過(guò)程，降低了材料成本。

(3)縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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