有限元模擬在礦用刮板鍛造設(shè)計中的應(yīng)用

文/侯友武，錢海峰，郭浩·棗莊通晟實(shí)業(yè)有限公司

本文通過對礦用刮板鍛造工藝路線進(jìn)行研究，分析傳統(tǒng)鍛造工藝對產(chǎn)品質(zhì)量性能的影響，引入有限元模擬技術(shù)，模擬不同鍛造方案礦用刮板的鍛壓成形過程，通過鍛壓效果分析，進(jìn)而優(yōu)化和確立最佳礦用刮板鍛造方案，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

鍛造技術(shù)是一種利用鍛壓機(jī)械對坯料施加擠壓，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、形狀和尺寸鍛件的加工方法，鍛造成形技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是作為機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中最小的裝配單元的一些關(guān)鍵零部件都是通過鍛造加工來實(shí)現(xiàn)的。

刮板輸送機(jī)是煤礦機(jī)械化采煤不可缺少的重要設(shè)備，刮板作為刮板輸送機(jī)重要的承載構(gòu)件，固定在鏈條上組成刮板鏈，作為牽引構(gòu)件，要求其強(qiáng)度高、耐磨性好、壽命長。礦用刮板種類多、需求量大，從生產(chǎn)數(shù)量、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量和技術(shù)要求等多方面因素綜合考慮，礦用刮板多選用鍛造生產(chǎn)工藝。刮板因其幾何形狀復(fù)雜，鍛造難度較大，鍛件精度不易控制，在刮板生產(chǎn)上需要對鍛造工藝與模具設(shè)計進(jìn)行技術(shù)革新。

刮板鍛造工藝分析

礦用刮板傳統(tǒng)鍛造工藝路線

我公司鍛造事業(yè)已有十多年發(fā)展歷史。由于受技術(shù)人員水平和傳統(tǒng)鍛造工藝影響，我公司最初在鍛造工藝和坯料材料的選擇上，主要采用對產(chǎn)品測繪后進(jìn)行預(yù)設(shè)模具型腔，利用不同規(guī)格毛坯鍛料進(jìn)行試打，并根據(jù)試打結(jié)果修改模具和對毛坯鍛料進(jìn)行調(diào)整，直到獲得合格產(chǎn)品。以4051 型刮板鍛造工藝為例，傳統(tǒng)鍛造生產(chǎn)工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)鍛造生產(chǎn)工藝流程圖

傳統(tǒng)的鍛造工藝路線研發(fā)周期長、成本高、效率低，已不能適應(yīng)新時代快速、高效的市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，為此，我公司在鍛造工藝研發(fā)上引入了Deform有限元模擬技術(shù)。

引入Deform 的新型鍛造工藝路線

礦用刮板輸送機(jī)機(jī)型很多，從SGZ630/220 到SGZ1400/1200 等共計6、7 種，其中各類長度和形狀的刮板更是有數(shù)百種之多。引入Deform 有限元模擬前，只有“先制后試”，即先制作好熱鍛模具，再使用空氣錘制坯，采用不同規(guī)格的圓鋼進(jìn)行樣品試制。若試鍛樣品不能滿足要求，還可能涉及到修改模具結(jié)構(gòu)、制坯工裝等情況。此種模式導(dǎo)致樣品研發(fā)周期長、生產(chǎn)效率低、工人勞動強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，浪費(fèi)了大量的人力物力和時間成本。

引入Deform有限元模擬后，變成了“先試后制”。在前期設(shè)計階段對刮板鍛造過程進(jìn)行數(shù)字化模擬，確定好合適的鍛造工藝后再開模，避免了后期可能修改模具結(jié)構(gòu)的繁瑣，極大降低了生產(chǎn)成本和時間成本。同時可以確定原材料規(guī)格，提前購買圓鋼，使得樣品研發(fā)及供貨周期大大縮短。對于長軸類鍛件來說，該種新型鍛造工藝路線也有其一定的適用性。

刮板坯料截面積的選擇

以我公司開發(fā)型號為4051 型礦用刮板為例，該鍛件重量為28.45kg，屬于軸向截面變化很大的長軸類鍛件。在進(jìn)行坯料尺寸選擇和鍛造工藝設(shè)計時，根據(jù)重量、截面積及零件長度，可選擇φ85mm、φ90mm 規(guī)格棒料作為刮板坯料，鍛造方案上可選擇φ85mm×770mm棒料直接終鍛、φ90mm×770mm棒料直接終鍛或使用φ90mm×700mm棒料經(jīng)兩端預(yù)坯后終鍛三種鍛造方案。

有限元模擬技術(shù)應(yīng)用

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬。利用簡單而又相互作用的元素(即單元)，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。由于4051 型礦用刮板左右對稱，故在下述情況下采用零件的1/2 進(jìn)行Deform 有限元模擬，模擬前處理過程中對零件及上下模具設(shè)定對稱面，當(dāng)模擬結(jié)束后再利用鏡像功能將其還原出來，其模擬參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 Deform 有限元模擬參數(shù)設(shè)定

有限元模擬技術(shù)下刮板坯料鍛壓效果分析

針對4051型礦用刮板三種鍛造方案進(jìn)行Deform有限元模擬，模擬在鍛壓過程中不同規(guī)格坯料流動軌跡，來研究三種鍛造方案實(shí)施的可行性。

⑴φ85mm×770mm棒料直接終鍛。選用φ85mm×770mm 棒料直接終鍛，由圖2 可以看出，坯料在零件中段高肩位置(圖2 圓圈處)應(yīng)力較大且未打滿，分析其原因是因?yàn)榇颂帉俚湫偷纳疃却蟆挾刃^(qū)域，材料向外流動的阻力小于向此高窄區(qū)流動的阻力，從而在此處出現(xiàn)缺肉的現(xiàn)象。根據(jù)這種情況必須調(diào)換直徑更大的棒料進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 零件缺肉截面圖

⑵φ90mm×770mm棒料直接終鍛。選用φ90mm×770mm 棒料直接終鍛，坯料直徑加大后，雖然比選用φ85mm×770mm 棒料直接終鍛存在的缺肉問題得到改善，但連皮折疊處距離鍛件較近(僅為23.5mm)，在實(shí)際生產(chǎn)中存在坯料放置偏離中軸線的情況，極易造成鍛件折疊的出現(xiàn)(圖3)。

圖3 折疊缺陷

⑶φ90mm×700mm棒料經(jīng)兩端預(yù)坯后終鍛。選用φ90mm×700mm棒料經(jīng)兩端預(yù)坯后終鍛，對模具結(jié)構(gòu)及坯料形狀進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的鍛件成形充分、飽滿，且連皮分布均勻，成形充填較為理想(圖4)。

圖4 模擬結(jié)果

不同方案模擬效果比較

不同方案模擬效果對比見表2，方案1 雖然材料利用率最高，但鍛件未填充滿，質(zhì)量不達(dá)標(biāo)；方案2、3 鍛件均成形良好，但方案2 兩端窄高區(qū)連皮過大，材料利用率不高。方案3 材料利用率比方案2 高7.4%，能有效地降低材料成本。

表2 不同方案模擬效果對比

礦用刮板鍛造工藝的選擇

根據(jù)不同鍛造方案有限元模擬刮板坯料鍛壓效果研究，我公司最終采用方案3 為4051 型礦用刮板鍛造工藝，在40MN 摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)和試生產(chǎn)。實(shí)際生產(chǎn)的4051 型機(jī)加工毛坯刮板如圖5所示。

圖5 4051 型機(jī)加工毛坯刮板

在實(shí)際鍛造過程中，對樣件進(jìn)行質(zhì)量檢測和重量測量，包括尺寸、表面質(zhì)量等各項(xiàng)屬性達(dá)標(biāo)，驗(yàn)證了有限元模擬技術(shù)可靠性，實(shí)際材料利用率為81.3%，每年為企業(yè)節(jié)省原材料費(fèi)用100 多萬元。

結(jié)束語

與傳統(tǒng)的測繪、開模、熱處理、試鍛、改進(jìn)模具、再試鍛的鍛造工藝相比，我公司在礦用刮板的設(shè)計階段采用Deform 有限元軟件，利用計算機(jī)建模，模擬不同條件對鍛打過程進(jìn)行計算機(jī)驗(yàn)證，并對模擬鍛造工藝過程中產(chǎn)品出現(xiàn)的缺陷逐一修正，通過模擬驗(yàn)證后再確立科學(xué)合理的鍛造工藝，減少了模具改進(jìn)、再試鍛等環(huán)節(jié)，從而能夠提高研發(fā)效率和材料的利用率，縮短產(chǎn)品設(shè)計和制造周期，降低研發(fā)成本和生產(chǎn)成本，增強(qiáng)企業(yè)對市場變化應(yīng)對能力，提升產(chǎn)品的市場競爭力，使企業(yè)效益不斷提升。

由此可見，利用有限元模擬的系統(tǒng)工藝仿真技術(shù)可有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭力，為中小企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)或生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供了參考和借鑒。