4Cr13顆粒機(jī)環(huán)模的淬火后回火溫度對硬度的影響見下表。
從結(jié)果來看，180℃回火，環(huán)模硬度很高，脆性很大，極易使環(huán)模產(chǎn)生裂紋。300℃是回火曲線中的低谷，不宜采用。340℃回火，環(huán)模的硬度偏低，會(huì)影響其壽命。合適的回火溫度應(yīng)控制在200℃左右，環(huán)模的最終使用硬度在52～55HRC,左右，這樣，既可以保證環(huán)模不丌裂，又可保證�？缀凸ぷ髅娴哪p很小，使環(huán)模的使用壽命大大提高。
(2)回火溫度對環(huán)模硬度的影響
4Cr13的第一類回火脆性區(qū)的溫度范圍為300℃～370℃，第二類回火脆性區(qū)的溫度范圍為450℃～600℃。為保證環(huán)模在回火后仍能保持較高的硬度，同時(shí)又要避開回火發(fā)生脆性的溫度區(qū)，環(huán)模采用200℃低溫回火較合適。
3.4.4不同回填氣體壓強(qiáng)對環(huán)模冷卻速度、硬度及尺寸變化的影響
(1)不同回填氣體壓強(qiáng)下，冷卻溫度對時(shí)間的變化曲線
由上圖可以看出，在相同的裝載量情況下，增加回填氣體壓強(qiáng)能明顯提高環(huán)模的冷卻速度。充填1.6bar壓強(qiáng)的氣體，與充填1.3bar壓強(qiáng)的氣體相比，快速冷卻時(shí)間可縮短23%。
(2)不同回填氣體壓強(qiáng)對環(huán)模硬度的影響
由上圖可以看出，在相同的裝載量情況下，增加回填氣體壓強(qiáng)能明顯提高環(huán)模的硬度。充填1.6bar壓強(qiáng)的氣體，與充填1.3bar壓強(qiáng)的氣體相比，硬度提高2～3HRC。
(3)回填氣體壓強(qiáng)對尺寸變化的影響
回填氣體壓力越大，冷卻速度越快，環(huán)模的變形率越大。
3.4.5真空淬火對環(huán)模組織的影響
淬火前環(huán)模的金相組織為完全退火處理狀態(tài)，其組織為：鐵索體基體上分布著碳化物及晶界上網(wǎng)狀分布著碳化物顆粒。
淬火后的環(huán)模金相組織為馬氏體+碳化物+殘余奧氏體。
(1)環(huán)模鍛坯材料中的碳化物顆粒分不較均勻
(2)環(huán)模鍛坯材料中的碳化物顆粒分布不均
淬火可以消除鍛坯材質(zhì)的部分缺陷，但對環(huán)模材料的均質(zhì)性影響不大。鍛坯晶粒粗大、均質(zhì)性差，在淬火工藝中難以消除這種缺陷。
3.4.6熱處理對環(huán)模尺寸的影響
環(huán)模熱處理的變形對環(huán)模的使用影響較大。如果變形大，橢圓度增加，一方面會(huì)使環(huán)模不完全出料，影響產(chǎn)量；另一方面會(huì)使壓輥在環(huán)模內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)到時(shí)，產(chǎn)生不連續(xù)的跳動(dòng)，對環(huán)模工作面產(chǎn)生沖擊。環(huán)模本身具有較大的裂紋敏感性，經(jīng)壓輥的不斷沖擊、跳動(dòng)，有可能產(chǎn)生微裂紋，并使微裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致環(huán)模丌裂。用真空淬火，環(huán)模在熱處理后具有微小的變形。
MUZL600顆粒機(jī)環(huán)模經(jīng)多次試驗(yàn)結(jié)果分析：環(huán)模熱處理后尺寸變化多數(shù)回縮，在回填氣體壓力不大、冷卻速度較慢的情況下，尺寸變化也有可能是漲式。
3.5環(huán)模有限元分析
在顆粒機(jī)環(huán)模的設(shè)計(jì)工作中，傳統(tǒng)的計(jì)算和分析方法很難精確地計(jì)算顆粒機(jī)環(huán)模各個(gè)部分的應(yīng)力和變形情況，因此缺乏設(shè)計(jì)的理論依掘，只是用一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行粗略計(jì)算。目前國內(nèi)外應(yīng)用有限元分析技術(shù)在機(jī)械方面進(jìn)行了一些研究，取得了很好的效果，但對于環(huán)模顆粒機(jī)這類飼料機(jī)械還應(yīng)用較少。本課題采用有限元分析方法對顆粒機(jī)環(huán)模進(jìn)行系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)，用有限元分析方法計(jì)算顆粒機(jī)環(huán)模的應(yīng)力和變形，為顆粒機(jī)環(huán)模設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
3. 5.1系統(tǒng)環(huán)境
(1) UG系統(tǒng)環(huán)境
UG (Unigraphics)是Unigraphics Solutions公司推出的集CAD/CAE/CAM為一體的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，廣泛的應(yīng)用于各制造領(lǐng)域，它是一個(gè)全三維、雙精度的造型系統(tǒng)。它以世界上具有領(lǐng)先地位的Parasolid為內(nèi)核，在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、裝配、工程制圖、數(shù)據(jù)輸出等領(lǐng)域均有相應(yīng)的功能模塊，尤其是在實(shí)體造型方面功能強(qiáng)大。
(2) ANSYS系統(tǒng)環(huán)境
ANSYS是一專用的有限元分析工具，其數(shù)值模擬和分析功能強(qiáng)大。在工程領(lǐng)域有許多力學(xué)問題和場的問題，都可以看作是一定邊界條件下求解微分方程，但只有在少數(shù)的簡單問題能求解。因此，在20世紀(jì)60年代，有限元法逐漸展并成熟起來。ANSYS的數(shù)值模擬技術(shù)是在建立模型（數(shù)學(xué)模型和過程模型）的礎(chǔ)上，對所模擬的客觀或理論系統(tǒng)進(jìn)行定量的研究、試驗(yàn)和分析，它既不是實(shí)驗(yàn)方法，也不是理論方法，而是在大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過基本原理構(gòu)建的一套數(shù)值計(jì)算模型。
ANSYS處于有限元界的領(lǐng)導(dǎo)地位，被全球工業(yè)界廣泛接受，經(jīng)過大量的實(shí)例驗(yàn)證，在眾多的工程領(lǐng)域都有很好的可靠性。
(3)有限元法(Finite Element Method -FEM)
在上世紀(jì)60年代術(shù)至70年代初，有限元在非牛頓流體力學(xué)中的應(yīng)用得以深入發(fā)展。它是解大型非牛頓流體力學(xué)問題的數(shù)值方法中使用最廣，最具有代表性的方法。有限元法的核心是根據(jù)變分原理或方程余量與權(quán)函數(shù)正交化原理建立積分表達(dá)式。它將在整個(gè)積分區(qū)域中的求解函數(shù)離散為若干單元區(qū)域的連續(xù)函數(shù)，再通過單元積分，總體合成為代數(shù)方程形式的有限元方程。與有限差分法相比，有限元法適合于復(fù)雜區(qū)域和邊界條件的離散，而且對每個(gè)區(qū)域的近似解是連續(xù)的。有限元法中又包含了混合有限元法、FAN方法(Flow Analysis Network)、罰有限元法、富有限元法、控制體積法、有限塊法以及修正的Luo-Tanner流線有限元等。
3.5.2有限元分析模型建立及計(jì)算分析
環(huán)模和壓輥之間的載荷分析對環(huán)模和壓輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義，同時(shí)通過對環(huán)模和壓輥之間的載荷分析也有利于分析環(huán)模和壓輥的磨損情況。首先，環(huán)模和壓輥的強(qiáng)度和剛度計(jì)算需要知道兩者之間的載荷，知道載荷后A+能確定環(huán)模的厚度、壓輥的大��；再者，物料壓入的多少有與載荷有關(guān)．物料壓入多，環(huán)模和壓輥之間的載荷大，環(huán)模和壓輥的磨損也就越嚴(yán)重，反之，物料壓入少，環(huán)模和壓輥之間的載荷小，磨損少，因此環(huán)模和壓輥之問的載荷與環(huán)模和壓輥的磨損有關(guān)，磨損又與環(huán)模和壓輥的壽命有關(guān)。
環(huán)模是比較昂貴的易損件，其使用壽命是評價(jià)環(huán)模制粒機(jī)性能的重要指標(biāo)。怎樣減少和改善環(huán)模的磨損，延長使用壽命，降低生產(chǎn)成本，是研究制粒機(jī)的核心內(nèi)容。環(huán)模的壽命與環(huán)模和壓輥間的載荷有密切關(guān)系；
制粒的過程是物料被卷入、壓緊，最后從環(huán)模上的�？妆粩D出，因此在環(huán)模圓周方向，環(huán)模與壓輥的間距越大，物料壓力程度越小，載荷也就越小。反之，環(huán)模與壓輥的間距越小，物料壓力程度越大，載荷也就越大。
(1)有限元分析模型建立
在Ansys作有限元分析過程中，建立幾何環(huán)模是必不可少的一個(gè)過程，Ansys有強(qiáng)大的接口能力和對實(shí)體的力學(xué)分析功能。本文采取UG建立實(shí)體三維模型，通過中間軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的平臺(tái)，利用Ansys的高級接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)幾何模型的建立，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
建立的三維模型通過IGES文件導(dǎo)入ANSYS軟件分析界面中．
為了定性分析壓輥和環(huán)模的載荷，建立環(huán)模的模型，并施加非均勻載荷，如圖3～15所示。所加載荷的函數(shù)是：
F= kx
通過施加約束，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到環(huán)模的有限元模型，如圖3-16所示。
(2)力學(xué)模型的建立
單元模型共8個(gè)節(jié)點(diǎn)．單元材料為線彈性，并且各向同性．根據(jù)廣義虎克定律：
2)環(huán)模和壓輥之間的載荷分析
可以看出，在這樣的載荷作用下，環(huán)模外側(cè)的位移變化比較大，這說明如果物料在環(huán)模軸線方向的均勻的話，環(huán)模里側(cè)的磨損最大，環(huán)模外側(cè)的磨損最小。
如果在環(huán)模軸線方向卷入的物料均勻，按理是磨損均勻，但是考慮到環(huán)模實(shí)際上是懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式，環(huán)模外側(cè)的變形大，因此環(huán)模和壓輥的間距會(huì)比沒有工作時(shí)大一些，這樣物料就沒有里側(cè)的物料緊一些，所以磨損小一些。按照這樣的分析，環(huán)模的磨損曲線應(yīng)該是如下圖所示。因此物料在環(huán)模軸線方向均勻卷入的話，里側(cè)反而磨損嚴(yán)重。
3.5.3環(huán)模實(shí)際磨損情況
上面的分析是基于載荷在環(huán)模軸線方向是均勻這一假設(shè)分析得到的結(jié)論，實(shí)際的載荷情況應(yīng)該根據(jù)磨損的情況反過來分析。圖3-20即為壓輥的實(shí)際磨損照片，環(huán)模與壓輥磨損曲線如圖3-21。
從實(shí)際磨損情況看，沿軸向方向，環(huán)模與壓輥兩端的磨損明顯大于中間部位，且兩端的磨損基本對稱（后端更長、更平滑、角度更�。�。
3.5.4結(jié)論
結(jié)合受力分析及實(shí)際磨損情況，得出如下結(jié)論：
(1)沿軸向方向，物料在壓輥與環(huán)模之間分布不均勻：
(2)沿軸向方向，外側(cè)分布的物料較內(nèi)側(cè)多：
(3)沿軸向方向，中間分布的物料較兩側(cè)少；
(4)為了使磨損更均勻，可以通過控制物料的分稚來實(shí)現(xiàn)：
(5)相關(guān)分析需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。
料層的分布情況直接影響環(huán)模的使用壽命，所以解決環(huán)模的不均勻磨損問題，核心是使料層均勻分布在環(huán)模的內(nèi)壁上，使環(huán)模受均勻的載荷作用。通過分析，可以說明選用更加昂貴的環(huán)模材料，僅從環(huán)模的優(yōu)化角度出發(fā)，或者從飼料的配方、顆粒度等方面不能解決環(huán)模的不均勻磨損問題，因此，環(huán)模的不均勻磨損只能通過飼料的均勻分布得以解決，而進(jìn)一步優(yōu)化環(huán)模制粒機(jī)的結(jié)構(gòu)是提高環(huán)模使用壽命的根本途徑。
結(jié)論
1、4Cr13是完全合適的環(huán)模材料，剛度和韌性都較好， 熱處理硬度為HRC52～55，并具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，使用壽命長。Cr的增加對環(huán)模的硬度沒有影響，但可以顯著增強(qiáng)環(huán)模的耐腐蝕性。實(shí)際使用中含Cr量12%左右的環(huán)模使用壽命比含Cr量14%的環(huán)模在其它處理相同的條件下，其使用壽命減小1/3以上；所以環(huán)模質(zhì)量的源頭是從剛錠開始，要確保Cr含量12.5%以上。
2、�？桌浼庸r(shí)切削轉(zhuǎn)速直接影響環(huán)模的表面粗糙度，切削轉(zhuǎn)速越大，表面質(zhì)量越好。加工的模孑L孔徑越小，切削轉(zhuǎn)速越高。采用槍鉆加工環(huán)模模孑L，�？字睆綖�1. 6mm時(shí)，轉(zhuǎn)速為9000r/min時(shí)，表面粗糙度為1.6“m：轉(zhuǎn)速為13000r/min時(shí)，表面粗糙度可達(dá)到0.8 um。對于普通鉆床，一般最高轉(zhuǎn)速為3000～5000rlmin，加工出的表面質(zhì)量較差，加工小孔徑環(huán)模時(shí)，由于粗糙度不合格，在環(huán)模的帶料試驗(yàn)中無法出料。
3、熱處理淬火溫度從1030℃上升到1050℃，硬度可提高1～1.5HRC; 1060℃淬火，硬度雖然較高，但沖擊韌性下降明顯，熱應(yīng)力太大，極易產(chǎn)生淬火微裂紋。所以，采用1040℃淬火最為合適。
4、真空淬火對環(huán)模模孔粗糙度的基本沒有影響。
5、4Cr13環(huán)模具有高強(qiáng)度和高耐磨性，但也有很大的裂紋敏感性，淬火后的回火相當(dāng)重要。為保證環(huán)模在回火后仍能保持較高的硬度，同時(shí)又要避開回火發(fā)生脆性的溫度區(qū)，環(huán)模采用200℃低溫回火較合適，環(huán)模的最終使用硬度在52～05HRC左右，這樣，既可以保證環(huán)模不開裂，又可保證模孔和工作面的磨損很小，使環(huán)模的使用壽命大大提高。
6、在相同的裝載量情況下，增加回填氣體壓強(qiáng)能明顯提高環(huán)模的冷卻速度和硬度。充填L 6bar壓強(qiáng)的氣體，與充填1.3bar壓強(qiáng)的氣體相比，快速冷卻縮短23%。硬度提高2～3HRC�；靥顨怏w壓力越大，冷卻速度越快，環(huán)模的變形率越大。7、環(huán)模熱處理后尺寸變化多數(shù)回縮，在回填氣體壓力不大、冷卻速度較慢的情況下，尺寸變化也有可能是漲式。
8、在顆粒機(jī)環(huán)模的設(shè)計(jì)工作中，傳統(tǒng)的計(jì)算和分析方法很難精確地計(jì)算顆粒機(jī)環(huán)模各個(gè)部分的應(yīng)力和變形情況，因此缺乏設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，只是用一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行粗略計(jì)算。本文應(yīng)用有限元分析方法針對環(huán)模壽命問題，分析環(huán)模在均勻載荷與非均勻載荷時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度分別情況，提出合理的方案以解決環(huán)模的不均勻磨損，對于環(huán)模的研究方法是一次突破和有意義的嘗試。
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