某输送机刮板模锻成形工艺数值模拟研究

张 辉，李玉龙，潘爱琼

（郑州科技学院 机械工程学院，河南 郑州 450064）

某输送机刮板模锻成形工艺数值模拟研究

张 辉，李玉龙，潘爱琼

（郑州科技学院 机械工程学院，河南 郑州 450064）

以某输送机刮板为研究对象，建立有限元模型，分析该锻件成形过程中的零件温度场、模具温度场以及成形载荷等因素的影响，并应用Archard磨损模型分析了模具复杂多因素耦合情况下的磨损情况，预测了单次磨损的深度分布，并得出单次磨损最大深度0.00510mm，为优化模具设计、提高模具寿命提供了理论依据。

锻造；刮板；模锻工艺；数值模拟

刮板输送机作为煤矿工作面运输设备，不但承担着运煤的作用，还是采煤机的运行轨道以及液压支架的推移支点。在设备使用过程中还要悬挂工作面设备的电缆、水管等。所以，刮板输送机的可靠、稳定、高效运行直接影响着矿井的生产能力和煤矿企业的经济效益。

相对于铸造刮板，模锻成形刮板以其机械性能好、耐磨损、使用寿命长等优点目前被煤炭生产企业广泛采用[1]。

随着输送机的国际竞争越来越激烈，对输送机的设计水平和生产能力要求也越来越高。在模锻行业，输送机设计以往多采用经验法、试错法，即通过各种工艺条件进行测试、计算和比较分析，优选出比较合理的工艺方案。但该方法计算和实验量大，试模和调试的周期长，而且成本较高。

为此，本文采用有限元技术对成形工艺进行数值模拟仿真，分析毛坯模锻成形的规律，预测模具的磨损，为优化模具结构、提高模具寿命提供理论指导。

1 锻件成形方案及有限元模型建立

图1为某刮板热锻件图，材料27SiMn合金钢，毛坯形状较为复杂。现根据车间设备制定工艺如下：下料→感应加热炉加热→6000t压力机上锻造成形→500t曲柄压力机切边→300t螺旋压力机校正→机加工为最终零件。

图1 刮板的热锻件图

（1）坯料材料牌号27SiMn，泊松比0.3。采用刚（粘）塑性流动应力模型：

（2）模具材料牌号AISI-H-13，定义上模为主运动体，下模不动。凸模硬度设置为55HRC（不考虑凹模磨损）。采用Archard磨损模型预测模具成形过程中的磨损量，其表达式为

式中：W——磨损深度；

P——模具表面的正压力；

v——滑动速度；

a、b、c——标准常数，a、b取1，c取2；

K——与材料特性相关的常数，取2×10-6；

H——模具初始硬度。

（3）成形过程采用剪切摩擦模型

M——剪切摩擦因子，取m=0.3；

K——剪切屈服强度。

（4）传热边界条件。如表1所示。

表1 边界条件

2 成形过程数值模拟分析

2.1 零件温度场分析

图2 锻造零件温度场分布

温度是热锻成形的重要影响因素之一，为了保证在锻造过程中具有良好的可锻性，获得良好的内部组织性能和优良的机械性能，锻造必须在始锻温度和终锻温度之间进行。从图2可以看出，锻造成形过程中，一方面刮板中间的筋部温度较高，处于1040℃左右，温度下降较少，而锻件两端及其他部位，温度下降明显，处于912℃左右。这是由于随着坯料与模具型腔接触，温度由高向低传递，锻件两端及中心除筋部区域的坯料与模具接触较快，接触面积较大所致。另一方面，在锻件两侧的飞边部位，温度超过始锻温度1150℃上升到了1380℃，这是因为坯料在外力的作用下发生塑性变形，有一部分能量来不及转化成其他形式的能量，最终以热量的形式被坯料本身吸收。因此在刮板锻造过程中，坯料发生温度耦合效应。

2.2 模具温度场及磨损分析

随着锻造过程的进行，模具温度会随之升高，但模具硬度下降、强度降低，从而会降低模具使用寿命。预测模具表层温度梯度将为提高模具表面质量提供理论指导。零件终锻成形后，模具表层温度上升，其分布如图3所示。刮板模具筋部型腔部位深而狭长，坯料与模具接触时间较长，热交换剧烈，温度升高到396～699℃之间。所以在现有设备不变的前提下，可以选择红硬性较好的模具钢材料，严格控制其热处理工艺，或者对模具进行渗碳渗氮处理，以改善模具寿命。

图3 模具温度场分布

图4 锻造模具磨损

在锻造过程中，坯料与模具发生相对位移，产生剧烈摩擦，模具表面被逐渐磨损，当磨损到一定程度，锻件尺寸就会超差，模具随即失效。如图4所示，锻后凸模的一次磨损深度最大值达到了0.00510mm。一般来说，摩擦系数对模具的磨损影响最大。摩擦系数越小，模具表面温度越低，磨损也越小，所以可通过改善模具润滑条件来降低摩擦系数，从而大大降低磨损，提高模具寿命。

2.3 锻件成形载荷分析

如图5所示，可知成形载荷为5030t。成形初期，坯料温度较高，金属流动性较好，根据最小阻尼定律，坯料先流向心部和两端较大的型腔部位，成形载荷从0逐渐上升；成形后期，模具即将闭合，坯料最后充填中间筋部型腔，载荷急剧上升，模具受力情况十分恶劣，严重影响模具寿命。所以后期可增加合适的连皮结构并控制连皮厚度，并通过阻力墙的优化设计来降低成形载荷，节约能源，提高模具寿命。

图5 锻造成形载荷

3 结论

通过有限元数值模拟软件，运用正交模拟方法分析了成形过程中零件的温度场、模具的温度场和磨损，以及成形载荷情况，得出以下结论：

（1）运用有限元模拟仿真技术可以在较短时间内模拟分析成形过程中工艺参数对成形质量的影响，减少试模周期，缩短研发周期，为模具的优化设计提供技术指导。

（2）通过对零件的温度场、模具的温度场和磨损以及成形载荷的分析，确定了该锻件成形过程中坯料发生温度耦合效应，预测了单次磨损的最大深度0.00510mm，确定了压力机的吨位。对进一步优化模具设计，提高模具寿命，降低生产成本具有重要现实指导和借鉴意义。

[1]张世魁，徐新芳，孙 斌，等.刮板输送机刮板的锻造工艺[J].煤矿机电，2005，（6）.

[2]王海洋,吕增印.刮板输送机大型模锻件锻造工艺设计的研究[J].成组技术与生产现代化，2011，（1）.

[3]代 佳，张 翅，李平辉.刮板输送机链轮制造工艺研究与改进[J].煤矿机械，2015，（4）.

[4]姚泽坤.锻造工艺学与模具设计[M].西安：西北工业大学出版社，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

张 辉（1985-），男，硕士，工程师，从事模具技术及其CAD/CAM/CAE、精密塑性成形模拟仿真及工艺优化研究。E-mail：zhanghuia6666@163.com