基于Deform的刮板锻造工艺及模具设计研究

王 凡 王力爽

(沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳 110168)

煤机刮板是矿用刮板传送机广泛使用的关键配件之一，其机械性能和产品质量直接影响到煤炭业的安全生产和企业的效益。由于煤机刮板在使用中工况环境极差，必须承受较强的冲击和摩擦，所以要求较高的机械强度。以往铸造刮板因为机械性能差、易断裂、磨损快等缺点导致了其逐步被企业淘汰。相反，锻造刮板由于机械性能好、耐磨损、使用寿命长等优点目前正被煤机企业广泛使用。

煤机企业对刮板的需求量较大、品种也较多，而传统的模锻设计在生产中一直采用“试锻－修正－再试锻”的工艺方法，在实际生产中需要较长的产品开发周期，加之激烈的市场竞争，使得这种传统的设计方法已不能满足生产的需求。利用有限元仿真模拟分析软件Deform，可以模拟自由锻、模锻、辊锻等多种锻造工艺过程，可以提供极有价值的工艺分析数据，如材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、缺陷产生和发展情况等。这使得Deform软件在刮板的锻造生产中有很强的应用价值。

1 典型煤机刮板模锻工艺分析

本文采用的煤机刮板三维锻件图如图1a，其材料为40Mn2，属于锰钢组合金结构钢，锻造加热温度为1 160～1 200℃，终锻温度为850℃。锻件质量为86 kg。生产中采用5 t自由锻锤制坯，16 t模锻锤终锻，并由1 250 t热摩擦压力机热切毛边。其锻造技术要求为:

(1)锻件表面不得有裂纹、缺肉、过烧等缺陷，氧化皮、凹坑和镶嵌物的深度不得大于1 mm。

(2)锻造后修平毛刺，分模面错移量不大于2 mm。

(3)刮板两臂在任意方向弯曲变形不大于2 mm。

煤机刮板属于比较复杂的大型锻件，成型难度较大，生产工艺要求较高。根据整个生产工艺制定其锻造工艺路线为:下料—加热—制坯—冷却—检验—加热—模锻—切边—冷却—检验。在跟踪整个生产中发现，工艺路线中影响锻造质量的主要因素是制坯和温度的控制，其他只要按照工艺安排正确进行，对锻造质量的影响不大。这与锻件质量较大，工人制坯困难和环境温度的不确定性有关。

1.1 刮板制坯对锻造成型的影响

锻造生产中锻件制坯可以为模锻成形提供合理的坯料形状和尺寸，使金属容易充满终锻模膛，减少终锻模膛磨损，并延长其使用寿命。由于此刮板的截面较多，变化较大，在实际生产中如果直接使用圆棒料锻造的话，将会形成折叠、局部填充不足等锻造缺陷。其各截面图如图2a。经过计算得到A－A截面到E－E截面的面积分别为 :10 539 mm2、4 509 mm2、5 226 mm2、10 701 mm2、5 780 mm2。从中可以看出A－A截面与D－D截面，C－C截面与E－E截面的面积相差不大，考虑到此锻件较重，截面过多时工人操作困难等因素，根据D－D截面及对应的毛边槽面积选择φ125 mm的棒料后，制坯时只在对应的E－E截面处进行拔长制坯即可，其制坯图如图2b所示。

1.2 温度对锻造成型的影响

温度是影响塑性和变形抗力的主要因素之一，对产品锻造后的组织形态影响较大。由于本产品属于较长的大型模锻件，加热、锻造、冷却时温度变化和分布不均匀性大，因而会影响金属塑性流动，并产生很多的锻造缺陷。

实践表明，生产中很多因素会影响到温度的控制。如:加热炉炉温、终锻模膛的模温、工件与环境温度的传导等。这些因素会直接导致锻造过程中锻件在形状上发生严重弯曲变形与长度尺寸超差;在组织形态上产生发达的柱状晶粒及粗大的不均匀结晶，使其出现敏感性开裂、白点和组织性能的严重不均匀性。因此对温度的连续监测对此产品的模锻成型非常重要。

2 基于Deform的模锻成型仿真分析

由于Deform－3D V6.1不具有建模功能，其模型必须通过其它三维软件来完成。笔者以UG NX6.0软件完成工件和模具几何体的造型，输出为Deform支持的STL文件格式，来构成热模锻的分析对象。此次模拟的模具材料为热作模具钢4Cr5MoSiV1，模具预热到90℃，工件从加热炉中取出的初始温度为1 200℃。

非等温热模锻仿真过程不仅要模拟模锻过程，还要模拟热传导过程，因此整个仿真模拟过程分以下两个阶段进行(分析过程中根据轴对称性，选择工件和模具的1/4对称面来进行分析，以减少模拟时间)。

2.1 工件与外界环境热传导模拟

该阶段是工件加热后移动到模具的过程，工件在空气中的移动时间为20 s，工件只与外界环境发生热传导。

(1)设置模拟初始条件:模拟采用“SI”公制单位，模拟类型选取“Heat transfer(热传导)”同时关闭“Deformation(变形)”，模拟步数为50步，模拟中不设主模具，步长选用“With Time Increment”且值为0.4 s。

(2)划分网格:Deform软件提供相对网格和绝对网格两种划分方式。使用绝对网格划分，用户只需指定最小单元大小和单元尺寸比率，系统根据对象几何模型形状复杂程度决定网格数量，形状越复杂，网格数量越多。该方法更能提高模拟的正确性，所以此次模拟采用绝对网格划分。设置毛坯的最小单元尺寸为1 mm，模具的最小网格为6 mm，尺寸比例都为3。

(3)设置热传导边界条件:在此设置环境温度为20℃，并选取坯料的外表面为热传导边界。

通过上述前处理设置，并分析求解后就可以通过后处理得到工件最后的温度分布图，如图3。

2.2 模锻过程模拟

这个阶段的模拟，毛坯不仅发生变形而且还与下模发生热传导，为了尽可能地模拟真实的打击情况，特设计了6次热交换和6次锤击。热交换模拟的边界条件可不再定义，对象间关系只与下模定义自由接触(Free Resting)传热系数，为默认值。锤击模拟时上模的运动设置选择为“Hammer”，锻锤打击能为全部质量400 MN·s2/mm的1/4，锻锤质量为全部质量16 N·s2/mm的1/4。锤击模拟中只需要对第一次锤击设置变形边界条件。对象间关系需要与上下模设定摩擦系数和成形(Forming)传热系数，都为默认值。其完整的模锻过程为:

(1)工件与下模热传递过程，1 s停留时间。模拟步数为10，模拟步长选择“With Time Increment”方式，值为常量0.1 s。

(2)第1次锤击。模拟步数为70，模拟步长选择“With Die Displacement”方式，值为常量0.4 mm。有效锤击力为80%。

(3)工件与下模热传递。移开上模，初始化关系，并运1 s热交换。

(4)第2次锤击。与步骤(2)相同。

…… …… …… ……

(11)工件与下模热传递。与步骤(3)相同。

(12)第6次锤击。

(注:从第3次到第6次锤击的模拟步数分别为60、50、40、30，其余设置相同。)

上述每一步做完前处理相关工作后，可生成包含模拟对象和求解算法的数据库文件，计算机可对此数据库文件自动求解。

2.3 模拟结果分析

模拟运算结束后，在后处理模块中导入运算完的数据库文件，最终可得到锻件成形分析、锻件温度分析、金属流动速度场分析等重要数据，这些重要的数据对于最后确定坯料规格、设备吨位、模具结构，以及确定最终的工艺方案有着非常重要的作用。

(1)从锻件成型分布图4a可以看到，锻造刮板整体完好，没有折叠、局部填充不足的锻造缺陷，且模拟中模具可以安全闭合不存在锻造压力不足的问题，这说明刮板制坯与锻造的设备选择是正确的。但仔细观察可以发现，锻件毛边在刮板头部分布并不均匀且厚度加大，说明坯料的长度设计不合理，制坯工艺还有改进空间，可以进一步优化提高锻造利用率。

(2)从锻件温度分析图4b可以看出，切边后刮板的温度在1 140～974℃，而材质为40Mn2的锻件淬火温度为830～850℃。这说明此刮板可以实现余热淬火，这对需要余热淬火的刮板可以提供重要的温度数据。

(3)从金属流动速度场图4c可以看到金属流动速度在刮板壁边与毛边处减小到零，这符合锻造模具设计要求，说明模具设计中拔模斜度与毛边槽设计合理，且可以通过此数据预测到模具填充与磨损情况，对以后模具的维修有很强的指导意义。

图1b为经过改进锻造工艺后得到的具有较高质量的刮板锻造坯件。在应用中取得了良好的效果。

3 结语

在煤机刮板以及其他大型模锻件的设计与生产运用Deform等有限元仿真分析软件，可以有效地解决刮板在设计和成产中存在的问题，在以下方面比传统的设计方法有着更为突出的作用:

(1)可以优化产品及模具的设计方案，减少了初次设计中大量的试制过程，极大地降低了产品试制费用。

(2)可以极大地提高产品的利用率，避免了以后反复的工艺改进过程，降低了材料成本。

(3)缩短了产品开发周期，提高了企业的市场竞争力。

［1］张莉，李升军.Deform在金属塑性成形中的应用［M］.北京:机械工业出版社，2009:44－89.

［2］李传民，王向丽，闫华军.DEFORM 5.03金属成形有限元分析实例指导教程［M］.北京:机械工业出版社，2006:136－168.

［3］夏占雪，阮艳静，赵建申.CAD/CAE技术在曲轴锻件制造过程中的应用［J］.锻压技术，2005(2):53－56.

［4］贺连芳，栾贻国，李辉平.基于有限元方法的节流阀阀体成形工艺分析及锻模设计［J］.锻压装备与制造技术，2008(4):51－53.

［5］洪慎章，李名尧.锻造实用数据速查手册［M］.北京:机械工业出版社，2007:152－201.