9、刮板制坯辊锻的三维有限元数值分析.doc

刮板制坯辊锻的三维有限元数值分析李贝贝1， 贺鹏1， 闻瑶1，刘萧2(1.合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009；2.淮北淮海顺泰精密锻造有限公司，安徽 淮北235000 )摘要 针对某型号刮板锻件的特点，提出对刮板的成形预先进行制坯辊段，来实现坯料的体积重新分配。本文在三维造型软件UG环境中，完成对锻件、辊锻坯料的三维造型，同时分别对其进行模具型腔设计，为有限元模拟分析奠定了基础。根据刚塑性有限元法，利用有限元分析软件DEFORM.3D对零件辊锻制坯成形工艺进行了模拟分析。关键词 制坯辊锻；三维造型；有限元分析1 引言目前，我国经济的快速增长及其高耗能性使其对能源需求快速增长，使得煤炭消费量大幅增长，促进对采煤设备的需求量。刮板是刮板输送机和刮板转载机的重要部件，刮板不仅要求强度高、耐磨，而且要具有一定的韧性和抗腐蚀性。矿山大型刮板件由于其形状的复杂性、锻造工艺性差等特点，导致了在成型过程中要求使用大吨位设备，而我国的许多大吨位设备依然是依靠进口，价格极高，国内有生产能力的生产厂家屈指可数，瓶颈在于大吨位设备1-3 。2 成形工艺的提出辊锻制坯模锻成形复合工艺的提出借鉴了研究比较深入的汽车前轴的辊锻-模锻复合成型技术。刮板同汽车前轴相似，为大型细长类锻件。国内前轴典型生产工艺有：锤上模锻工艺、热模锻压力机模锻工艺、前轴成形辊锻工艺、前轴精密辊锻模锻工艺。其中20世纪90年代北京机电研究所开发出前轴精辊模锻成形工艺，是我国吸收国外先进技术、自行设计开发的。该工艺具有新颖性、独创性，与当今世界领先水平的万吨级热模锻压力机模锻工艺相比，锻件表面质量、尺寸精度相当4-5。汽车前轴精辊模锻成形工艺包括制坯辊、成形辊和整体终锻。由于刮板结构较为简单，因此在借鉴前轴精辊-模锻成形工艺的基础上采用辊锻制坯之后进行模锻成形的工艺。辊锻制坯模锻成形其关键技术就是利用辊锻机进行金属体积重新分配，最终模锻时只有局部变形，从而使模锻负荷大大减少,可以选择较小的设备，从而显著降低模锻成型力6-8。3 辊锻制坯工艺辊锻制坯是为模锻提供合理的毛坯，其中关键是设计计算毛坯截面图。毛坯的设计应该以计算毛坯的尺寸和形状为基础。计算毛坯横截面积按下式确定1：计算毛坯的横截面积F：F=Fd+2KFtFd 锻件横截面积Ft 飞边横截面积K 飞边槽充满系数计算毛坯截面图是沿锻件轴线方向截面积变化的图像, 反映了锻件长度( 轴线) 上金属分布的情况。图1为简化前和简化后的计算毛坯截面图。a) 简化前计算毛坯界面图b) 简化后计算毛坯界面图图1计算毛坯截面图得出计算毛坯直径图如图2所示：图2 计算毛坯直径图根据刮板锻件图，通过计算毛坯截面图和直径图方法，并按照圆形钢材标准规格，确定毛坯的尺寸为56mm455mm。辊锻道次n按下式计算1：式中m为平均延伸系数，通常取m=1.4-1.6。m按1.4选取，经计算则n =1.6，故确定辊锻道次为2道次。4 制坯辊段数值模拟4.1 有限元模型的建立通过计算得到辊锻模具、模锻模具的相关参数，在三维造型软件UG中建立两道次辊锻模具及模锻模具的模型。建好模型后，导出STL文件，然后导入到Deform-3D软件中，得到辊锻-模锻的有限元模型，如图3。设定坯料网格数80000，摩擦因子为=0.4，传热系数为5。 a)一道次 b) 二道次图3 刮板制坯过程和模锻过程的有限元模型4.2数值模拟结果辊锻-模锻复合成形过程如图4所示：圆棒坯料经一道次辊锻之后变为图b）所示，进行二道次辊锻的模拟时，要将一道次模拟后的坯料导入二道次的模拟中，并将坯料沿着X轴方向旋转90，二道次结束后得到如图c)所示的坯料，最后将此坯料导入模锻的模拟中，最终成形得到图d)所示的刮板。再调整模具的位置，进行二道次辊锻模拟。 a) 圆棒坯料 b) 一道次辊锻 c) 二道次辊锻 图4辊锻各道次模拟与模锻模拟成形件4.3两道次辊锻Y方向载荷分析辊锻过程中X轴方向为伸长、Y 方向为压缩、Z 方向为展宽，其中以Y方向载荷最大。图5中分别为一道次辊锻、二道次辊锻在Y方向上的载荷分布，可以看到Y方向的载荷有两段峰值，分别是一道次的椭圆型槽、二道次的圆形型槽对应的部分，在刚开始咬入以及型槽过度的时候载荷迅速增加，这时很容易出现打滑，所以过度区长度要选择恰当。 a）第一道次Y 向模具载荷图 b）第二道次Y 向模具载荷图图5辊锻两道次模拟载荷图5 结论1) 通过Deform-3D软件进行刮板制坯辊锻的数值分析，采用两道次辊锻使圆形坯料进行重新体积分配，得到了合理的辊锻坯料。2) 模拟结果对其他轴杆类锻件成形工艺具有指导和参考意义。3) 利用CAD/CAE技术，实现了过程的参数化设计，可快速进行工艺方案的优化，大大缩短产品设计周期。参考文献1 傅沛福.辊锻理论与工艺M.吉林人民出版社，1982：13.2 吕炎，薛克敏，许沂等精密塑性体积成形技术M北京：国防工业出版社2003：44-473 李如熊，王金铝.汽车前轴制坯辊锻工艺分析与三维数值模拟J.机械设计与制造，2010，（08）：1121134 陈建全, 夏巨谌, 梁培志, 等. 前轴精密成形辊锻及精密模锻工艺与模具CAD J . 锻压技术, 2002, 275 蒋鹏.汽车前轴精辊-模锻工艺J.机械工人（热加工），2002，（1）：586 李之文，黄鹰，刘才正.前轴精辊-模锻工艺应用J.锻压技术，1994，24（6）:35-37. 7 陈建全，夏巨谌等. 前轴精密成形辊锻及精密模锻工艺与模具CAD锻压技术J，2002(6)： 13.8 Iankov，RFinite element simulation of profile rolling of wir