張 輝，李玉龍，潘愛瓊

（鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064）

某輸送機(jī)刮板模鍛成形工藝數(shù)值模擬研究

張 輝，李玉龍，潘愛瓊

（鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064）

以某輸送機(jī)刮板為研究對象，建立有限元模型，分析該鍛件成形過程中的零件溫度場、模具溫度場以及成形載荷等因素的影響，并應(yīng)用Archard磨損模型分析了模具復(fù)雜多因素耦合情況下的磨損情況，預(yù)測了單次磨損的深度分布，并得出單次磨損最大深度0.00510mm，為優(yōu)化模具設(shè)計(jì)、提高模具壽命提供了理論依據(jù)。

鍛造；刮板；模鍛工藝；數(shù)值模擬

刮板輸送機(jī)作為煤礦工作面運(yùn)輸設(shè)備，不但承擔(dān)著運(yùn)煤的作用，還是采煤機(jī)的運(yùn)行軌道以及液壓支架的推移支點(diǎn)。在設(shè)備使用過程中還要懸掛工作面設(shè)備的電纜、水管等。所以，刮板輸送機(jī)的可靠、穩(wěn)定、高效運(yùn)行直接影響著礦井的生產(chǎn)能力和煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

相對于鑄造刮板，模鍛成形刮板以其機(jī)械性能好、耐磨損、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)目前被煤炭生產(chǎn)企業(yè)廣泛采用[1]。

隨著輸送機(jī)的國際競爭越來越激烈，對輸送機(jī)的設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)能力要求也越來越高。在模鍛行業(yè)，輸送機(jī)設(shè)計(jì)以往多采用經(jīng)驗(yàn)法、試錯(cuò)法，即通過各種工藝條件進(jìn)行測試、計(jì)算和比較分析，優(yōu)選出比較合理的工藝方案。但該方法計(jì)算和實(shí)驗(yàn)量大，試模和調(diào)試的周期長，而且成本較高。

為此，本文采用有限元技術(shù)對成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，分析毛坯模鍛成形的規(guī)律，預(yù)測模具的磨損，為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、提高模具壽命提供理論指導(dǎo)。

1 鍛件成形方案及有限元模型建立

圖1為某刮板熱鍛件圖，材料27SiMn合金鋼，毛坯形狀較為復(fù)雜?，F(xiàn)根據(jù)車間設(shè)備制定工藝如下：下料→感應(yīng)加熱爐加熱→6000t壓力機(jī)上鍛造成形→500t曲柄壓力機(jī)切邊→300t螺旋壓力機(jī)校正→機(jī)加工為最終零件。

圖1 刮板的熱鍛件圖

（1）坯料材料牌號(hào)27SiMn，泊松比0.3。采用剛（粘）塑性流動(dòng)應(yīng)力模型：

（2）模具材料牌號(hào)AISI-H-13，定義上模為主運(yùn)動(dòng)體，下模不動(dòng)。凸模硬度設(shè)置為55HRC（不考慮凹模磨損）。采用Archard磨損模型預(yù)測模具成形過程中的磨損量，其表達(dá)式為

式中：W——磨損深度；

P——模具表面的正壓力；

v——滑動(dòng)速度；

a、b、c——標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)，a、b取1，c取2；

K——與材料特性相關(guān)的常數(shù)，取2×10-6；

H——模具初始硬度。

（3）成形過程采用剪切摩擦模型

M——剪切摩擦因子，取m=0.3；

K——剪切屈服強(qiáng)度。

（4）傳熱邊界條件。如表1所示。

表1 邊界條件

2 成形過程數(shù)值模擬分析

2.1 零件溫度場分析

圖2 鍛造零件溫度場分布

溫度是熱鍛成形的重要影響因素之一，為了保證在鍛造過程中具有良好的可鍛性，獲得良好的內(nèi)部組織性能和優(yōu)良的機(jī)械性能，鍛造必須在始鍛溫度和終鍛溫度之間進(jìn)行。從圖2可以看出，鍛造成形過程中，一方面刮板中間的筋部溫度較高，處于1040℃左右，溫度下降較少，而鍛件兩端及其他部位，溫度下降明顯，處于912℃左右。這是由于隨著坯料與模具型腔接觸，溫度由高向低傳遞，鍛件兩端及中心除筋部區(qū)域的坯料與模具接觸較快，接觸面積較大所致。另一方面，在鍛件兩側(cè)的飛邊部位，溫度超過始鍛溫度1150℃上升到了1380℃，這是因?yàn)榕髁显谕饬Φ淖饔孟掳l(fā)生塑性變形，有一部分能量來不及轉(zhuǎn)化成其他形式的能量，最終以熱量的形式被坯料本身吸收。因此在刮板鍛造過程中，坯料發(fā)生溫度耦合效應(yīng)。

2.2 模具溫度場及磨損分析

隨著鍛造過程的進(jìn)行，模具溫度會(huì)隨之升高，但模具硬度下降、強(qiáng)度降低，從而會(huì)降低模具使用壽命。預(yù)測模具表層溫度梯度將為提高模具表面質(zhì)量提供理論指導(dǎo)。零件終鍛成形后，模具表層溫度上升，其分布如圖3所示。刮板模具筋部型腔部位深而狹長，坯料與模具接觸時(shí)間較長，熱交換劇烈，溫度升高到396～699℃之間。所以在現(xiàn)有設(shè)備不變的前提下，可以選擇紅硬性較好的模具鋼材料，嚴(yán)格控制其熱處理工藝，或者對模具進(jìn)行滲碳滲氮處理，以改善模具壽命。

圖3 模具溫度場分布

圖4 鍛造模具磨損

在鍛造過程中，坯料與模具發(fā)生相對位移，產(chǎn)生劇烈摩擦，模具表面被逐漸磨損，當(dāng)磨損到一定程度，鍛件尺寸就會(huì)超差，模具隨即失效。如圖4所示，鍛后凸模的一次磨損深度最大值達(dá)到了0.00510mm。一般來說，摩擦系數(shù)對模具的磨損影響最大。摩擦系數(shù)越小，模具表面溫度越低，磨損也越小，所以可通過改善模具潤滑條件來降低摩擦系數(shù)，從而大大降低磨損，提高模具壽命。

2.3 鍛件成形載荷分析

如圖5所示，可知成形載荷為5030t。成形初期，坯料溫度較高，金屬流動(dòng)性較好，根據(jù)最小阻尼定律，坯料先流向心部和兩端較大的型腔部位，成形載荷從0逐漸上升；成形后期，模具即將閉合，坯料最后充填中間筋部型腔，載荷急劇上升，模具受力情況十分惡劣，嚴(yán)重影響模具壽命。所以后期可增加合適的連皮結(jié)構(gòu)并控制連皮厚度，并通過阻力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)來降低成形載荷，節(jié)約能源，提高模具壽命。

圖5 鍛造成形載荷

3 結(jié)論

通過有限元數(shù)值模擬軟件，運(yùn)用正交模擬方法分析了成形過程中零件的溫度場、模具的溫度場和磨損，以及成形載荷情況，得出以下結(jié)論：

（1）運(yùn)用有限元模擬仿真技術(shù)可以在較短時(shí)間內(nèi)模擬分析成形過程中工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響，減少試模周期，縮短研發(fā)周期，為模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

（2）通過對零件的溫度場、模具的溫度場和磨損以及成形載荷的分析，確定了該鍛件成形過程中坯料發(fā)生溫度耦合效應(yīng)，預(yù)測了單次磨損的最大深度0.00510mm，確定了壓力機(jī)的噸位。對進(jìn)一步優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，提高模具壽命，降低生產(chǎn)成本具有重要現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)和借鑒意義。

[1]張世魁，徐新芳，孫 斌，等.刮板輸送機(jī)刮板的鍛造工藝[J].煤礦機(jī)電，2005，（6）.

[2]王海洋,呂增印.刮板輸送機(jī)大型模鍛件鍛造工藝設(shè)計(jì)的研究[J].成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2011，（1）.

[3]代 佳，張 翅，李平輝.刮板輸送機(jī)鏈輪制造工藝研究與改進(jìn)[J].煤礦機(jī)械，2015，（4）.

[4]姚澤坤.鍛造工藝學(xué)與模具設(shè)計(jì)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

Numerical simulation research of forging process for scraper in conveyor

ZHANG Hui,LI Yulong,PAN Aiqiong
（College of Mechanical Engineering,Zhengzhou University of Science and Technology,Zhengzhou 450064,Henan China）

Taking the scraper of conveyor in some enterprise as the research object,the finite element model has been established.The influence of temperature field of part&tool and forming load have been analyzed during forging process.The Archard wear model has been applied to analyze the wear situation of the tool under complex multi-factor coupling situation.The depth distribution of single wear has been predicted.It is obtained that the maximum depth of the single wear is 0.00510mm.It provides theoretical reference for improving the tool life and optimizing the design of the tool.

Scraper;Forging process;Numerical simulation

TG319

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.025

1672-0121（2017）03-0086-03

2017-01-10；

2017-03-11

張 輝（1985-），男，碩士，工程師，從事模具技術(shù)及其CAD/CAM/CAE、精密塑性成形模擬仿真及工藝優(yōu)化研究。E-mail：zhanghuia6666@163.com