基于Deform的刮板鍛造工藝及模具設計研究

王 凡 王力爽

(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽 110168)

煤機刮板是礦用刮板傳送機廣泛使用的關鍵配件之一，其機械性能和產品質量直接影響到煤炭業的安全生產和企業的效益。由于煤機刮板在使用中工況環境極差，必須承受較強的沖擊和摩擦，所以要求較高的機械強度。以往鑄造刮板因為機械性能差、易斷裂、磨損快等缺點導致了其逐步被企業淘汰。相反，鍛造刮板由于機械性能好、耐磨損、使用壽命長等優點目前正被煤機企業廣泛使用。

煤機企業對刮板的需求量較大、品種也較多，而傳統的模鍛設計在生產中一直采用“試鍛－修正－再試鍛”的工藝方法，在實際生產中需要較長的產品開發周期，加之激烈的市場競爭，使得這種傳統的設計方法已不能滿足生產的需求。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程，可以提供極有價值的工藝分析數據，如材料流動、模具填充、鍛造負荷、模具應力、缺陷產生和發展情況等。這使得Deform軟件在刮板的鍛造生產中有很強的應用價值。

1 典型煤機刮板模鍛工藝分析

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

(1)鍛件表面不得有裂紋、缺肉、過燒等缺陷，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。

煤機刮板屬于比較復雜的大型鍛件，成型難度較大，生產工藝要求較高。根據整個生產工藝制定其鍛造工藝路線為:下料—加熱—制坯—冷卻—檢驗—加熱—模鍛—切邊—冷卻—檢驗。在跟蹤整個生產中發現，工藝路線中影響鍛造質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行，對鍛造質量的影響不大。這與鍛件質量較大，工人制坯困難和環境溫度的不確定性有關。

1.1 刮板制坯對鍛造成型的影響

鍛造生產中鍛件制坯可以為模鍛成形提供合理的坯料形狀和尺寸，使金屬容易充滿終鍛模膛，減少終鍛模膛磨損，并延長其使用壽命。由于此刮板的截面較多，變化較大，在實際生產中如果直接使用圓棒料鍛造的話，將會形成折疊、局部填充不足等鍛造缺陷。其各截面圖如圖2a。經過計算得到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，截面過多時工人操作困難等因素，根據D－D截面及對應的毛邊槽面積選擇φ125 mm的棒料后，制坯時只在對應的E－E截面處進行拔長制坯即可，其制坯圖如圖2b所示。

1.2 溫度對鍛造成型的影響

溫度是影響塑性和變形抗力的主要因素之一，對產品鍛造后的組織形態影響較大。由于本產品屬于較長的大型模鍛件，加熱、鍛造、冷卻時溫度變化和分布不均勻性大，因而會影響金屬塑性流動，并產生很多的鍛造缺陷。

實踐表明，生產中很多因素會影響到溫度的控制。如:加熱爐爐溫、終鍛模膛的模溫、工件與環境溫度的傳導等。這些因素會直接導致鍛造過程中鍛件在形狀上發生嚴重彎曲變形與長度尺寸超差;在組織形態上產生發達的柱狀晶粒及粗大的不均勻結晶，使其出現敏感性開裂、白點和組織性能的嚴重不均勻性。因此對溫度的連續監測對此產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，其模型必須通過其它三維軟件來完成。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，來構成熱模鍛的分析對象。此次模擬的模具材料為熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，模具預熱到90℃，工件從加熱爐中取出的初始溫度為1 200℃。

非等溫熱模鍛仿真過程不僅要模擬模鍛過程，還要模擬熱傳導過程，因此整個仿真模擬過程分以下兩個階段進行(分析過程中根據軸對稱性，選擇工件和模具的1/4對稱面來進行分析，以減少模擬時間)。

2.1 工件與外界環境熱傳導模擬

該階段是工件加熱后移動到模具的過程，工件在空氣中的移動時間為20 s，工件只與外界環境發生熱傳導。

(1)設置模擬初始條件:模擬采用“SI”公制單位，模擬類型選取“Heat transfer(熱傳導)”同時關閉“Deformation(變形)”，模擬步數為50步，模擬中不設主模具，步長選用“With Time Increment”且值為0.4 s。

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

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

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

2.2 模鍛過程模擬

這個階段的模擬，毛坯不僅發生變形而且還與下模發生熱傳導，為了盡可能地模擬真實的打擊情況，特設計了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，對象間關系只與下模定義自由接觸(Free Resting)傳熱系數，為默認值。錘擊模擬時上模的運動設置選擇為“Hammer”，鍛錘打擊能為全部質量400 MN·s2/mm的1/4，鍛錘質量為全部質量16 N·s2/mm的1/4。錘擊模擬中只需要對第一次錘擊設置變形邊界條件。對象間關系需要與上下模設定摩擦系數和成形(Forming)傳熱系數，都為默認值。其完整的模鍛過程為:

(1)工件與下模熱傳遞過程，1 s停留時間。模擬步數為10，模擬步長選擇“With Time Increment”方式，值為常量0.1 s。

(2)第1次錘擊。模擬步數為70，模擬步長選擇“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。移開上模，初始化關系，并運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次錘擊的模擬步數分別為60、50、40、30，其余設置相同。)

上述每一步做完前處理相關工作后，可生成包含模擬對象和求解算法的數據庫文件，計算機可對此數據庫文件自動求解。

2.3 模擬結果分析

模擬運算結束后，在后處理模塊中導入運算完的數據庫文件，最終可得到鍛件成形分析、鍛件溫度分析、金屬流動速度場分析等重要數據，這些重要的數據對于最后確定坯料規格、設備噸位、模具結構，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題，這說明刮板制坯與鍛造的設備選擇是正確的。但仔細觀察可以發現，鍛件毛邊在刮板頭部分布并不均勻且厚度加大，說明坯料的長度設計不合理，制坯工藝還有改進空間，可以進一步優化提高鍛造利用率。

(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℃，而材質為40Mn2的鍛件淬火溫度為830～850℃。這說明此刮板可以實現余熱淬火，這對需要余熱淬火的刮板可以提供重要的溫度數據。

(3)從金屬流動速度場圖4c可以看到金屬流動速度在刮板壁邊與毛邊處減小到零，這符合鍛造模具設計要求，說明模具設計中拔模斜度與毛邊槽設計合理，且可以通過此數據預測到模具填充與磨損情況，對以后模具的維修有很強的指導意義。

圖1b為經過改進鍛造工藝后得到的具有較高質量的刮板鍛造坯件。在應用中取得了良好的效果。

3 結語

在煤機刮板以及其他大型模鍛件的設計與生產運用Deform等有限元仿真分析軟件，可以有效地解決刮板在設計和成產中存在的問題，在以下方面比傳統的設計方法有著更為突出的作用:

(1)可以優化產品及模具的設計方案，減少了初次設計中大量的試制過程，極大地降低了產品試制費用。

(2)可以極大地提高產品的利用率，避免了以后反復的工藝改進過程，降低了材料成本。

(3)縮短了產品開發周期，提高了企業的市場競爭力。

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