煤礦刮板輸送機鏈輪精密成形工藝初步設計與數值模擬

顧建新

（冀中能源邯鄲礦業集團通方煤礦機械有限公司，河北邯鄲）

鏈輪是刮板輸送機的核心部件之一，鏈輪加工的精密程度將直接決定刮板輸送機的運行效率。目前常用的鏈輪精密成形工藝有胎模鍛成形、分流成形、冷擠壓成形等若干種。其中，胎模鍛成形工藝具有工序少、成本低、質量高等優點，在鏈輪鍛件成形中被廣泛應用。為了進一步降低殘次品率，需要借助于仿真軟件構建有限元模型，根據仿真結果對工藝參數進行優化，確保加工出來的鍛件能夠符合要求。

1 鏈輪精密成形工藝的設計

1.1 精密成形工藝流程

鏈輪精密成形工藝流程如圖1 所示。

圖1 鏈輪精密成形工藝流程

在鏈輪的精密成形工藝流程中，精確下料和胎模鍛成型是兩個關鍵環節。在下料階段，要結合鏈輪的組成結構以及成形要求選擇合適的坯料，然后用高速圓盤鋸床下料。得到坯料后使用銼刀、砂紙等將表面的毛刺、銹斑等清理干凈，以便于提升下一步的加熱處理效果。另外，在下料時要以凹模齒根的直徑為參照，在此基礎上減小2 mm 作為坯料的直徑，保證坯料可以順利放入凹模的模腔內。然后按照“體積不變”原則，求得毛坯的高度。在胎模鍛成形階段，首先把坯料放入凹模的模腔，然后借助于套筒完成定位，最后啟動壓力機讓凸模鐓擠坯料從而得到鏈輪鍛件[1]。

1.2 模具結構的初步設計

1.2.1 凸模結構設計

在鏈輪精密成形工藝中有2 塊凸模，1#凸模可用于成形中心孔直徑較大的管狀坯料，其結構如圖2（左）所示；2#凸模可用于成形實心坯料，其結構如圖2（右）所示。

圖2 凸模結構（單位：mm）

為了方便凸模的固定和取出，在凸模的上方開孔，孔深為90 mm；孔內擰上長度為75 mm 的M50螺栓，在鍛件成形后使用鉗子夾住螺栓即可將凸模取出。

1.2.2 套筒結構設計

套筒的主要功能有兩個：其一是定位凸模、坯料；其二是成形鍛件的輪轂部分。以套筒為約束，保證了凸模在軸向運動時，凸模和坯料的垂直度始終保持一致，對提高坯料的加工精度有一定幫助。另外，為了方便套筒的安裝和取出，在套筒下端設置有5°的斜度，該斜度與鍛件輪轂的斜度一致，套筒的結構如圖3 所示。

圖3 套筒結構（單位：mm）

1.2.3 凹模結構設計

凹模是整套模具中最重要的部分，可用于成形鏈輪鍛件的齒形塊部位。為了方便凹模的安裝可取出，在凹模與套筒之間留出了40 mm 的間隙和1°的出模斜度。凹模的結構如圖4 所示。

圖4 凹模結構（單位：mm）

1.2.4 芯棒結構設計

在加工中心孔直徑較大的管狀坯料時，由于這類坯料的高徑比大，在受到垂直方向的壓力后很容易發生內壁折疊現象。為避免此問題的發生，在鏈輪精密成形工藝中設計了2 塊芯棒。上芯棒的高度為480 mm，上半部分是高200 mm、寬190 mm 的矩形，下半部分是高280 mm、頂面寬190 mm、底面寬150 mm的梯形。在底部有一個高50 mm、寬100 mm 的梯形凸起，用于嵌入下芯棒的凹槽，起到連接上、下芯棒的作用。下芯棒的高度為480 mm，下半部分是高250 mm、寬190 mm 的矩形，上半部分是高230 mm、頂面寬150 mm、地面寬190 mm 的梯形。在頂部有一個高51 mm、寬100 mm 的梯形凹槽，與上芯棒的凸體對接。將上、下芯棒分別從管狀坯料的上、下方向插入，在坯料加壓成形過程中可以提供支撐力，防止管狀坯料向內折陷。

1.2.5 固定板結構設計

在鏈輪鍛件成形期間，凸模擠壓坯料，坯料受到擠壓后再將力傳遞給套筒。尤其是在成形后期，由于壓力機施加的壓力越來越大，坯料與套筒之間的作用力和反作用力也會更加明顯。當成形力增加到一定值后，套筒與凹模之間出現一定寬度的縫隙，原本應當流向鍛件齒輪部位的金屬流會從這個縫隙中流出，導致鍛件出現明顯的飛邊；同時，鍛件的輪齒部位也會出現填充不飽滿的情況，最終加工出來的鍛件達不到成形要求[2]。為了避免上述問題的發生，在鏈輪精密成形工藝中加裝了固定板，分別安裝在套筒的周邊，使套筒與凹模連接成整體。這樣當套筒受到擠壓力后，固定板可以提供一個與擠壓力相反的支撐力，從而避免套筒與凹模之間出現裂隙，對提高鏈輪鍛件的成形效果有積極幫助。

1.3 鍛件脫模方式

在鏈輪精密成形工藝中，如何保證已經成形的鍛件順利從模具中脫出也是必須要考慮的問題。鍛件脫模的難點主要來自于兩個方面：其一是在成形期間，由于模具受到了較大的擠壓力容易出現彈性變形或塑性變形，導致鍛件脫模阻力增加，難以順利脫模；其二是鏈輪鍛件的軸線尺寸較長，并且齒輪結構復雜，也會增加脫模難度。基于上述情況，本文提出了一種“頂件器下推式”脫模方法，其原理是在鍛件的鍛壓環節完成后，依次將凸模與套筒取出，然后插入頂件器并且使頂件器下方的輪齒進入到凹模的齒腔內，確保頂進過程中不會出現偏移情況。然后為模具內的鍛件提供一個推力，使其從凹模中脫出[3]。

2 鏈輪精密成形工藝的數值模擬

2.1 設定數值模擬參數

通過精密成形數值模擬可以直觀地認識金屬鍛件在各個階段的形變過程。在此基礎上優化模具結構、調整工藝參數，確保在實際生產中能夠提高鍛件加工質量，降低殘次品率。數值模擬的前提條件是假定坯料的材質均勻，并且在成形期間主要發生塑性變形，不涉及彈性變形[4]。本文使用SFTC 公司開發的DEFROM-3D 有限元分析軟件進行鏈輪精密成形數值模擬，具體的參數設置如下：

（1） 鏈輪精密成形屬于熱鍛成形工藝的一種，需要提供高溫環境，因此在坯料材質的選擇上優先考慮45 鋼。在“初始條件設置“界面，將模具類型設定為剛性體，將坯料類型設置為塑性體，將泊松比設定為0.25。

（2） 在“摩擦模型設置”界面，選擇剪切摩擦模型，并將摩擦系數設定為熱鍛摩擦系數0.25。

（3） 在“溫度”界面，將坯料溫度設定為1 000℃，模具溫度為360 ℃，坯料與模具之間的熱傳導率為5。

2.2 確定數值模擬方案

為了進一步了解鏈輪精密成形工藝中不同類型坯料的成形效果，選擇3種類型的坯料并設計了對應的3 套數字模擬方案。一號方案中使用1#管狀坯料，中心孔直徑為190 mm；二號方案中使用2#管狀坯料，中心孔直徑為100 mm；三號方案中使用3#實心坯料，直徑為100 mm。使用DEFORM-3D 軟件建立3 個有限元模型，如圖5 所示。

圖5 三種成形方案的有限元模型

圖5 中從左至右分別為1#管狀坯料、2#管狀坯料、3#實心坯料。數字1～7 分別表示1#凸模、套筒、上芯棒、凹模、坯料、下芯棒、2#凸模。在成形工藝上，為了直觀地觀察不同模型鏈輪鍛件在成形效果上的差異，數值模擬采用了“凸模單向、雙向鐓擠成形”。這里以3#實心坯料為例，在凸模單向鐓擠階段，2#凸模不動，只負責固定坯料，然后1#凸模自上而下的鐓擠坯料；在1#凸模向下運動到指定位置后停止，再由2#凸模自下而上的鐓擠坯料。重復上述過程，直到鍛件填充飽滿為止。

2.3 數值模擬方案分析

觀察3 種坯料在成形后的等效應力場圖，可以發現鍛件的應力場分布不均勻，總體上呈現出從輪齒到芯部先減小后增加的趨勢[5]。其中，1#管狀坯料的輪齒兩端應力集中，最大等效應力值可達1 033 MPa；2#管狀坯料和3#實心坯料的輪齒、芯部應力集中，前者的最大等效應力值為1 057 MPa，后者的等效應力值為1 081 MPa。3 種方案下鏈輪模具不同部位的成型載荷統計結果見表1。

表1 不同形狀胚料模具最大成形載荷（單位：N）

由表1 數據可知，對于模具的相同位置來說，3#實心坯料的成型載荷要高于管狀坯料。以上凸模為例，3#實心坯料的最大成形載荷為5.02×107N，高于2#管狀坯料的4.43×107N 和1#管狀坯料的2.31×107N。分析其原因，1#管狀坯料中心孔尺寸較大，有分流和減壓的效果，因此成形載荷最小；2#管狀坯料中心孔尺寸較小，分流和減壓效果要弱于1#管狀坯料，成形載荷次之。3#實心坯料無中心孔進行分流和減壓，因此成形載荷最大。橫向對比來看，3#實心坯料應變較為穩定，變形應力較小，不會發生管狀坯料向內折陷的問題，并且制坯、取坯較為簡單，在成形質量高于2 種管狀坯料。

結束語

傳統的鏈輪切削加工成型工藝具有熱處理工序多、制造成本高、生產時間長等缺陷，本文提出了一種改進的鏈輪精密成形工藝，只需要一次齒形表面淬火，簡化了工藝流程、提高了生產效率、降低了制造成本。在優化工藝流程和模具結構的基礎上，使用有限元分析軟件設計工藝模型并進行數字模擬，結果表明實心坯料的應力分布均勻、變形應力較小，對提高鏈輪鍛件成形質量有積極幫助，為實際生產提供了指導。