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摘要
本文以顆粒飼料加工關(guān)鍵設(shè)備環(huán)模顆粒機的關(guān)鍵零件，也是最主要的易損件一環(huán)模為研究對象，對環(huán)模的材料、熱處理工藝和?？桌浼庸すに囘M行研究。為了實現(xiàn)對環(huán)模的評價，本課題研究過程中，采用試驗設(shè)計的優(yōu)化方法和有限元分析方法相結(jié)合的研究方法。在試驗設(shè)計中，采用正交試驗的方法，以江蘇牧羊集團環(huán)模為基本型，分析環(huán)模的材質(zhì)、熱處理工藝和冷加工工藝等試驗因素對環(huán)模質(zhì)量的影響。
首先，研究環(huán)模材料的選擇對環(huán)模性能和使用壽命的影響，主要選用40Cr和4Crl3兩種材料進行對比試驗。40Cr材料的硬度和沖擊韌性比4Cr13高，但是從表面到芯部硬度逐漸遞減，耐腐蝕性不好，從環(huán)模的實際使用情況并綜合考慮，選擇4Cr13作為合適的環(huán)模材料。實際使用中含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：所以要確保Cr含量12.5%以上。
?？桌浼庸すに囍饕芯壳邢鬓D(zhuǎn)速對?？状植诙鹊挠绊懀邢鬓D(zhuǎn)速越大，模孔表面質(zhì)量越好，加工的?？卓讖皆叫?，切削轉(zhuǎn)速越高。
環(huán)模熱處理工藝主要研究真空爐淬火、回火溫度對環(huán)模硬度和沖擊韌性的影響、真空淬火對環(huán)模?？状植诙鹊挠绊?、回填氣體壓強對環(huán)模冷卻速度和硬度的影響以及熱處理對環(huán)模尺寸的影響。
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。所以，采用1040℃淬火最為合適。為保證環(huán)模在回火后仍能保持較高的硬度，同時義要避開回火發(fā)生脆性的溫度區(qū)，環(huán)模采用200℃低溫回火，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。真空淬火對環(huán)模?？状植诙鹊幕緵]有影響。在相同的裝載量情況下，增加回填氣體壓強能明顯提高環(huán)模的冷卻速度和硬度。充填1.6bar壓強的氣體，與充填1.3bar壓強的氣體相比，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。綜合考慮，選用1.6bar回填氣體壓強比較合適。環(huán)模熱處理后尺寸變化多數(shù)回縮，在回填左氣體壓力不大、冷卻速度較慢的情況下，尺寸變化也有可能是漲式。
有限元分析中以UG、ANSYS作為仿真環(huán)境，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的應(yīng)力與應(yīng)力強度分別情況，提出合胖的方案以解決環(huán)橫的不均勻磨損。
本課題最終形成了真空淬火熱處理標準工藝及形成環(huán)模的驗收標準。對于環(huán)模的使用廠家和設(shè)計者都有很好的應(yīng)用價值和參考價值，對于環(huán)模的研究方法是一次突破和有意義的嘗試。
關(guān)鍵詞：環(huán)模：顆粒機；有限元：參數(shù)優(yōu)化
第一章 緒論
1.1飼料加工關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀
飼料工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在實現(xiàn)我國新世紀的目標中具有重要的位置。飼料業(yè)是我國農(nóng)業(yè)中工業(yè)化程度最高的產(chǎn)業(yè)，它處在“種植業(yè)——飼料業(yè)——養(yǎng)殖業(yè)”產(chǎn)業(yè)鏈條的中間環(huán)節(jié)，既受前后端的雙重壓力，同時又影響甚至決定它們的發(fā)展。我國飼料工業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了令人矚目的成績，2007年我圈飼料總產(chǎn)量超億噸，飼料產(chǎn)量占世界總量的1／8，已連續(xù)多年居世界第二位，且每年還以10%以上的速度增長。到2010年，配合飼料雙班生產(chǎn)能力要達到1.4億噸。根據(jù)我國國民經(jīng)濟發(fā)展的規(guī)劃，全國飼料工業(yè)必須有大的發(fā)展，
掘介紹，2008年雖然受到年初冰凍雨雪災(zāi)害、三聚氰胺事件等影響，但我國飼料行業(yè)發(fā)展總體平穩(wěn)。掘中國飼料工業(yè)協(xié)會信息中心預(yù)測，2008年我國飼料總產(chǎn)量有望再上千力．噸級臺階，商業(yè)飼料總產(chǎn)量將超過1.3億噸，同比增幅超過5%。
目前我國飼料加工中粉碎、混合、制粒、膨化這幾個關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及進展如下：
1.1.1粉碎技術(shù)
飼料原料經(jīng)粉碎后粒度減小，適度的粉碎能提高動物的消化吸收率，這主要是因為粉碎物料與消化酶作用表面增大。粉碎是飼料加工生產(chǎn)線中能耗最大的工段，粉碎技術(shù)研究的重點是降低能耗，控制粉碎粒度分布的均勻性，降低噪聲，提高錘片使用壽命。目前我國質(zhì)量較好的錘片，粗粉碎可達40噸／片，微粉碎可達20噸／片。國外高質(zhì)量的錘片，羊且粉碎（篩片孔徑3.0，原料玉米）時，其使用壽命為60～65噸／片，微粉碎（篩片孔徑1.0，魚料），其使用壽命為30～35噸／片。國外就粉碎粒度對動物消化吸收性能的影響進行過研究，結(jié)果表明，在生豬口糧中的玉米粉平均粒度在0.4～1.2mm之間時，平均粒度每減少0.1mm，飼料效率改善1.3%。研究了粉碎粒度對產(chǎn)量及能耗的影響，發(fā)現(xiàn)粉碎粒度由1.0mm減少到0.6mm時能耗略有增加，在粉碎粒度再減少到0.4mm時，所需的動力將2倍于粉碎至0. 6mm時的能耗。
錘片粉碎機未來發(fā)展主要是一下三個方面：
(1)提高產(chǎn)品的使用壽命（主要是易損件），降低客戶的使用成本。
(2)增加粉碎機的自動化程度，包括監(jiān)控，操作等方面。采用自動控制（負荷自動控制）的喂料系統(tǒng)系統(tǒng)。提高客戶操作方面的簡便性和操作的可靠性。
(3)提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，飼料廠越來越重視產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性帶來的長期效益和其帶來的成本。
1.1.2混合技術(shù)
混合是飼料加工中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一，它決定著各種營養(yǎng)組分在飼料中的分布均勻性，混合不均勻?qū)⑹箘游飳δ承I養(yǎng)組分過分攝入或攝取不足，從而導(dǎo)致營養(yǎng)不良。混合機是飼料加工，'的天鍵設(shè)備之一，配料混合系統(tǒng)是飼料廠的重要工段，其中混合機的性能好壞與使用效果，直接影響生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。近十年來，隨著飼料添加劑工業(yè)和成套飼料加工設(shè)備的發(fā)展，對混合機的要求越來越高。一般說來，要求混合精度高、混合速度快、能耗低、粉塵密封性好、裝載系數(shù)大、出料干凈、噪音小、操作容易、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、清洗維修方便、使用壽命長，對不同物性混臺料有較好的適應(yīng)性，棍合后的制劑不產(chǎn)生離析分層現(xiàn)象，對某些混合料還要求不產(chǎn)生混合過熱等。
目前，應(yīng)用最廣泛的混合機主要為雙軸槳葉式混合機，這種機型山兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)子細成，轉(zhuǎn)了L焊有多個特殊角度的槳葉，槳葉帶動物料一方面沿著機槽內(nèi)擘逆時針旋轉(zhuǎn)；一方面帶動物料左右翻動：在兩轉(zhuǎn)子的交叉重疊處，形成了一個失重區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，不論物料的形狀、大小和密度如何，都能使物料上浮，處于瞬問失重狀態(tài)，以此使物料在機槽內(nèi)形成全方位連續(xù)循環(huán)翻動，相互交錯剪切，從而達到快速柔和混合均勻。
雙層槳混合機，性能達到國際領(lǐng)先水平。
其產(chǎn)品主要特點為：
1)混合不產(chǎn)生偏析。對被混合物料適用范圍』“，尤其對密度、粒度等物性差異較大的物料混合時不產(chǎn)生偏析，得到高精度混合物。
2)轉(zhuǎn)子采用雙層槳葉結(jié)構(gòu)，混合周期短、混合均勻度高：一般物料在45S—60S時問內(nèi)混合均勻度cv可達2%～3%。減少了混合時間，大大提高了生產(chǎn)效率；
3)裝填量可變范圍大：裝填系數(shù)可變范圍為0.1～0.8，適用于多行業(yè)中不同比重、粒度等物料的混合；
4)軸端采用獨特的密封技術(shù)，密封可靠、無泄漏，使用壽命長；
5)出料快、賤留量很?。旱撞坎捎昧巳L雙丌門結(jié)構(gòu)，排料迅速、錢留很少；
6)出料門密封機構(gòu)采氣囊密封專利技術(shù)，彌補門體變形的缺陷，密封可靠無泄漏；
7)采用可升降式液體添加裝置，清理、更換噴嘴方便、快捷，噴霧均勻不起團。
飼料產(chǎn)品的混合均勻度是反映飼料質(zhì)量的一項重要指標，也是評價混合機混合性能的個主要參數(shù)。配料飼料工段系統(tǒng)是整個飼料廠的重要工段，其中混合機的性能好壞與使用效果，直接影響生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此只有合理的使用混合機，才能最大限度的發(fā)揮混臺機的性能，以達到飼料產(chǎn)品的最佳化。
1.1.3擠壓膨化技術(shù)
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，各飼料廠的產(chǎn)品也越來越多樣化，為了節(jié)約成本、提高效率和產(chǎn)量，因此需要能加工多種物料的大功率膨化設(shè)備。而目前顆粒機的產(chǎn)量比教大，所以大型原料處理膨化設(shè)備是飼料加工過程中不可缺少的主要設(shè)備之一。膨化工段能耗高，要求產(chǎn)量大，因此膨化機都配有較人功率的電機，膨化機的性能指標和可靠性對飼料加工廠的正常生產(chǎn)、成本和經(jīng)濟效益產(chǎn)生很大影響。
1.1.4制粒技術(shù) 顆粒飼料明顯具有好的適口性、高的效益，目前，全球一半以上的飼料采用制粒生產(chǎn)。顆粒機很大程度上決定了飼料加工的產(chǎn)量，在飼料生產(chǎn)中占有很重要的地位。制粒就是將粉體或液體原料，通過機械或化學(xué)的方法，將其聚合成形過程的統(tǒng)稱。在飼料工業(yè)中，將粉狀飼料原料或粉狀飼料經(jīng)過水、熱調(diào)制并通過機械壓縮且強制通過模孔而聚合成型的過程定義為制粒。
顆粒飼料制粒設(shè)備及工藝配套設(shè)備，主要由顆粒機、調(diào)質(zhì)器、熟化器、干燥器、冷卻器、粉碎機、分級篩和料倉活化裝置等組成。根據(jù)畜禽、水產(chǎn)及特種水產(chǎn)飼料加工要求不同而進行配置。
自1910年英國Sizer公司研制出第一臺商品擠壓式顆粒機至今，顆粒機的制造技術(shù)和成形理論得到了飛速發(fā)展，使用顆粒機生產(chǎn)顆粒飼料已得到普及。目前常用的顆粒壓制機有環(huán)模顆粒機和平模顆粒機兩種基本類型；根據(jù)運動特性又可分為動模式和動輥式：根據(jù)其環(huán)模和壓輥、平模和壓輥的組合形式又可分為：三輥、二輥，大、小壓輥和雙環(huán)模式環(huán)模顆粒機，平模直輥和錐輥式顆粒機。其他類型的顆粒機有：對輥式顆粒機（類似煤球機）、“體勒”顆粒機（顆粒從空心對輥內(nèi)排出）、盤式微粒機（無加壓機構(gòu)，利用液體媒介作用，粒子自行凝集）、螺桿式顆粒機、活塞式顆粒機等，但使用不夠廣泛。
飼料加工廠廣泛使用的是環(huán)模顆粒機。在飼料加工過程中制粒的費用高，耗能多，維修勤，是飼料廠花錢最多的工序。因此，各生產(chǎn)廠商對顆粒機的性能更為重視，并不斷對其進行改進提高。
1.2環(huán)模顆粒機研究進展
1.2.1系統(tǒng)組成
環(huán)模顆粒機主要由喂料器、調(diào)質(zhì)器、顆粒制造器、調(diào)節(jié)機構(gòu)及潤滑系統(tǒng)組成。
喂料器由電磁調(diào)速電機、減速器、聯(lián)軸器、絞龍軸及絞龍殼體等絹成。凋速電機是由變頻電機和減速器組成，它與變頻器配合使用，通過變頻器控制凋速電機，可改變其輸出轉(zhuǎn)速。喂料絞龍由絞龍殼體、絞龍軸和帶座軸承等組成，由可調(diào)速電機通過聯(lián)軸器帶動絞龍軸。
調(diào)質(zhì)器山電機、傳動機構(gòu)、調(diào)質(zhì)轉(zhuǎn)子和殼體、加蒸汽口等部分組成。其功能是注入蒸汽，將配合粉料調(diào)質(zhì)到一定的溫度和濕度后送入制粒窒制粒。調(diào)質(zhì)器殼體由不銹鋼制成。調(diào)質(zhì)器的供蒸汽系統(tǒng)如下圖所示。
顆粒制造器主要由主電機、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)予、環(huán)模、壓輥、刮刀、切刀組件及機身和門等組成。經(jīng)調(diào)質(zhì)器調(diào)質(zhì)的物料，由旋轉(zhuǎn)喂料錐和前板上兩個偏轉(zhuǎn)刮刀將料均勻地送入兩個壓輥與環(huán)模組成的壓制區(qū)，通過環(huán)模和壓輥兩個相對旋轉(zhuǎn)件對粉料逐漸擠壓而擠入環(huán)模中成型，并不斷向外端擠出，由切刀把成型顆粒切成需要的長度，最后成型顆粒排出機外。
1.2.2環(huán)模顆粒機主要制造廠家
國外著名的顆粒機生產(chǎn)廠家主要有月·麥MATADOR公司、美國CPM公司和BLISS公司、瑞士BUHIJF,R公司、意大利LAMECCANICA公司、荷蘭VAN AARSF.N、德國Munch和KAHL公司等；國內(nèi)生產(chǎn)顆粒機生產(chǎn)廠家，主要有大型的生產(chǎn)廠家不多，在這里我做個小廣告，三門峽富通新能源生產(chǎn)顆粒機、飼料顆粒機、秸稈壓塊機、木屑顆粒機還是可以的。
丹麥MATADOR公司顆粒機商品規(guī)格齊全，環(huán)模從小到大，內(nèi)徑從300mm到llOOmm，功率從30KW到560KW，機型有三角帶傳動、同步齒形帶傳動和齒輪傳動三種，主要生產(chǎn)畜禽料、牛羊料及高纖維飼料等。MATADOR公司在世界上影響較廣，具有很強的競爭力。
美國CPM公司是一個老牌公司，公司主要生產(chǎn)齒輪傳動的顆粒機，雖然其在產(chǎn)品創(chuàng)新方面比較緩慢，但其根深底子厚，品牌影響力廣，其產(chǎn)品仍具有很強的競爭力，尤其在畜禽料生產(chǎn)方面具有一定優(yōu)勢，擁有一批忠實客戶。
瑞士BUHL,FR公司創(chuàng)新能力很強，品牌影響力也較深和較廣，其設(shè)計理念比較超前。雖然其產(chǎn)品的一些功能并沒有得到實際應(yīng)用，但其產(chǎn)品給人的感覺總是耳目一新，引領(lǐng)潮流。
開發(fā)生產(chǎn)的顆粒機和國際上的先進技術(shù)相結(jié)合，并進行自主開發(fā)和改進，形成了目前系列化的顆粒機產(chǎn)品，既有V形帶傳動型的，又有同步齒形帶傳動型的；既有三壓輥的，又有兩壓輥的；既有生產(chǎn)畜禽料的，又有專門生產(chǎn)水產(chǎn)料的；既有普通型的，又有自動型。產(chǎn)品齊全、整體技術(shù)先進，在水產(chǎn)飼料生產(chǎn)中具有領(lǐng)先優(yōu)勢，可滿足不同類型和檔次的客戶需要，在國內(nèi)市場和國外市場都具有較強的競爭力。
1.2.3發(fā)展趨勢
就目前顆粒機最新市場的發(fā)展趨勢來看，存在如下發(fā)展趨勢：
1)隨著飼料廠向集團化、規(guī)模化方向發(fā)展，顆粒機向中大型方向發(fā)展，小型顆粒機逐漸淡出市場。
2)對顆粒機的易操作性、人性化、自動化程度的要求越來越高。
3)對顆粒機的性能要求越來越高，如噸料電耗、顆粒質(zhì)量等。
因此，要發(fā)展顆粒飼料，大型、高產(chǎn)、節(jié)能、自動化程度高的顆粒機具有更廣闊的市場。
1.3環(huán)模研究進展
環(huán)模是顆粒機的關(guān)鍵零件，是顆粒機的最主要易損件，價格不菲。其質(zhì)量的好環(huán)和質(zhì)量是否穩(wěn)定，直接影響環(huán)模的使用壽命和顆粒飼料壓制機的產(chǎn)量、飼料的質(zhì)量，從而影響飼料加]：的生產(chǎn)成本。顆粒機環(huán)模為一多孔環(huán)形零件，工作條件惡劣，在使用過程中長期承受壓輥的擠壓力和物料的摩擦力，使之產(chǎn)塵彎曲應(yīng)力和接觸壓應(yīng)力。同時，工作時溫度較高。環(huán)模失效的主要形式是?？准碍h(huán)模內(nèi)環(huán)表已磨損報廢，也有少量環(huán)模開裂和?？锥氯磯翰怀隽希?。環(huán)模的使用壽命主要與環(huán)模材料、環(huán)模的加工工藝有關(guān)；對同一環(huán)模材料和同一加工工藝，環(huán)模的使用壽命還與飼料配方、飼料生產(chǎn)工藝參數(shù)、工藝操作等有關(guān)。環(huán)模初試壓是否順利出料主要與環(huán)模?？妆砻娲植诙扔嘘P(guān)。
根據(jù)統(tǒng)計，環(huán)模損耗費占整個生產(chǎn)車間維修費的25%以上，同時對擠壓出來的顆粒飼料質(zhì)量有著直接的影響。它對提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量，降低能耗（制粒能耗占整個車間總能耗30%-35%），減少生產(chǎn)成本（環(huán)模損耗一項費用占整個生產(chǎn)車間的維修費25% -30%以上）等方面影響極大。一般玉米為主的飼料生產(chǎn)中約占到卜1.5元／噸左右，在秸桿木屑等纖維狀物料的生產(chǎn)中約占到18-48元／噸料：同時也是顆粒機最易磨損的零件之一。國外合理的環(huán)模加工量為1. 5-2.O力．t，我國目前為5 000-8000 t。2006年我國年產(chǎn)飼料約1.02億噸，按70%顆粒料計算，一個環(huán)模生產(chǎn)7000噸，約需11200只環(huán)模，據(jù)中國飼料工業(yè)協(xié)會預(yù)測，2008年的飼料生產(chǎn)量可達1.36億噸，大約需13000只環(huán)模，市場需求非常廣闊。三門峽富通新能源業(yè)銷售顆粒機環(huán)模。
國外生產(chǎn)環(huán)模的Sprout公司（原UMT）、意大利La Meccanica、美國Jacobs、泰國Triumph等。
決定環(huán)模使用性能和壽命的幾個因素：
a．耐磨性：多數(shù)環(huán)模的損壞是由于磨耗。環(huán)模會因使用而引起表面磨損和?？自龃?/span>. 顆粒機環(huán)模的耐磨性隨它的表面硬度、顯微結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分而變化。要使環(huán)模得到最佳的耐磨性，關(guān)鍵在于材料的選擇和熱處理的方法。
b．耐腐蝕性：有些飼料成分和添加劑在高溫、高壓下會引起點蝕，從而腐蝕環(huán)模材料。
因此，腐蝕是影響環(huán)模性能的最關(guān)鍵的影響因素，必須加以控制。高鉻、高碳的環(huán)模具有最好的耐腐蝕性。
c.韌性：在制粒過程中壞模承受很大的壓力，這種壓力能引起環(huán)模的即時損壞；超過工作時問也會造成環(huán)模的疲勞損傷。岡此，環(huán)模材料的選擇、熱處理的方法和?？椎亩嗌俣际菦Q定環(huán)模韌性的重要因素。
1.3.1環(huán)模材料
(1)環(huán)模材料的特性
a．耐磨性與韌性：提高環(huán)模硬度（假定會屬結(jié)構(gòu)固定不變）能增強耐磨性，但會降低環(huán)模的韌性。換言之，用提高環(huán)模硬度的方法來改進耐磨性，會增加脆性、降低韌性。因此必須將環(huán)模的硬度限制在能保持使用所需最低限度的結(jié)構(gòu)水平下。
b．耐腐蝕性與耐磨性和韌性：環(huán)模的會屬結(jié)構(gòu)差和耐腐蝕材料的化學(xué)成分不佳會降低耐磨性，壞模的沖擊韌性也比較籌，較容易開裂。
c．韌性與孔數(shù)：如果使用一種質(zhì)最較差的環(huán)模材料而想通過增加孔數(shù)來提高制粒產(chǎn)
量，是很難達到的。增加孔數(shù)很可能導(dǎo)致環(huán)模的丌裂。環(huán)模材料（在熱處理的同時）具有不同強度和不同韌性的特點。有些材料的孔數(shù)要少一點才能保持最低程度的韌性和結(jié)構(gòu)強度。
(2)環(huán)模模材料的選用
環(huán)模的主要失效形式是磨損和斷裂，因而要求環(huán)模成品既要表面硬度高，又要有一定的韌性。同時，由于某些飼料和添加劑在高溫、高壓下對環(huán)模有腐蝕作用，又要求環(huán)模材料具有耐腐蝕性。幾個因素相互制約。如果提高了環(huán)模表面硬度，雖提高了環(huán)模的耐磨性，卻使環(huán)模的脆性增加，降低了環(huán)模的抗斷能力：耐腐蝕性較好的材料，其會相組織和化學(xué)成分會使材料的耐磨性和沖擊韌性降低。所以在選擇環(huán)模材料時，應(yīng)綜合考慮，使壞模的綜合性能最好。
對于環(huán)模的特性怎樣才算優(yōu)質(zhì)以及與選材之間的關(guān)系如何，很難下一個完整的定義。圈內(nèi)環(huán)模材料主要有碳素結(jié)構(gòu)鋼、合會結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼三類。上述三大類材料有很多品種，它們的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)又各不相同。每一類材料在制造過程中又都能通過特殊的熱處理方法改變其性質(zhì)的。
國外環(huán)模材料一般使用優(yōu)質(zhì)合金鋼和不銹鋼，其中優(yōu)質(zhì)合會鋼主要選用低合金滲碳鋼，如18N iCrMoo，20CrN iMo，820V1 17(相似于我國17CrN 12Mo)等Cr-N i系鋼。這是由于Cr-I j系鋼淬透性好，并和強度、韌性有較好的配合，心部淬火后硬度一般為20～48HRC，表面淬火后硬度達60HRC以上，基本能滿足環(huán)模既要表面耐磨，又要求心部強度高的特殊要求。不銹鋼環(huán)模國外一般采用X40Cr13(相似于我國的4Cr13)。
國內(nèi)環(huán)模材料主要有碳素結(jié)構(gòu)鋼、合會結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼三類。碳素結(jié)構(gòu)鋼如45鋼，其熱處理硬度一般為45～50HRC。它屬于比較低檔的環(huán)模材料，其酣磨性和耐腐蝕性都較差，現(xiàn)基本被淘汰。合金結(jié)構(gòu)鋼，如20CrVnTi、40Cr、30CrMo等，熱處理硬度在50HRC以上，并具有良好的綜合力學(xué)性能。由此類材料制造的環(huán)模強度高，耐磨性也好，但缺點是耐腐蝕性不好，特別用在魚飼料、萬壽菊顆粒、木屑顆粒、秸桿顆粒等的噸料環(huán)模價格比不銹鋼高得多，現(xiàn)也逐步淘汰。不銹鋼材料有X46Cr13（德國牌號）、4Cr13、3Cr13等，這些材料的剛度和韌性都較好，熱處理硬度大T50HRC．并具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，使用壽命較長，噸料環(huán)模費用最低。三門峽富通新能源出售飼料顆粒機、木屑顆粒機、秸稈顆粒機環(huán)模。
1.3.2環(huán)模的工作面積、孔結(jié)構(gòu)、厚度和開孔率
環(huán)模工作面積指環(huán)模的內(nèi)徑周長和有效寬度的乘積，有效寬度指環(huán)模兩越程槽之間的距離。在同樣的工作面積下，壞模內(nèi)徑和有效寬度成反比。在低產(chǎn)量的水產(chǎn)飼料制粒，為保證環(huán)模軸向出料均勻，減小環(huán)模有效寬度，則增大環(huán)模直徑D。
顆粒料是從環(huán)模上的小孔擠出，?？椎妮S線一般都是指向環(huán)模的軸線。
環(huán)模的孔形和厚度對制粒的質(zhì)量和效率有著密切的關(guān)系。選擇環(huán)模的孔徑太小、厚度太厚，則生產(chǎn)效率低下、成本費用高，反之則顆粒松散、影響質(zhì)量和制粒效果。因此科學(xué)地選用環(huán)模的孔形和厚度等參數(shù)是高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的前提。
環(huán)模示意圖見下圖。
環(huán)模的孔形：目前常用的?？仔螤钪饕兄毙慰住⒎聪螂A梯孔、外錐形擴孔和正向帶錐形過渡階梯孔4種。直形孔加工簡單，使用最為普遍：反向階梯孔和外錐形擴孔減小，模孔的有效長度，縮短了物料存模孔中的擠壓時間，適宜于加工直徑小于?10mm的顆粒；正向帶錐形過渡階梯孔適宜于加工直徑大于?10mm的粗纖維含量高、體積質(zhì)量低的顆粒飼料。除了上述4種孔形以外，還有外錐形孔和內(nèi)錐形孔、非圓形孔等多種孔形，但使用不普遍。直形孔適于配合飼料的制粒：外孔擴大適用于脫脂糠等高纖維飼料的制粒；內(nèi)孔擴大適合于牧草粉類體積大的飼料制粒。
進料孔口直徑應(yīng)大于?？字睆剑@樣可減少物料的入孔阻力，以利于它們進入模孔。進料孔有3種基本形式，即直孔、錐孔和曲線形孔。前蘇聯(lián)學(xué)長的研究結(jié)果表明進料孔形中以曲線形孔最優(yōu)，其次是錐孔，直孔最差。不過，曲線孔需要專用工具加工，尤其是在孔徑較大時加工較為困難。為此，美國CPM公司將小孔（孔徑小于lOmm）環(huán)模的?？走M料孔采用曲線孔形，而大孔（孔徑大于10mm）環(huán)模的模孔進料孔不采用曲線孔形，而是采用錐孔、直孔或與錐孔組合形式。錐孔生產(chǎn)小孔顆粒時，進口錐角b =30。。對于大孔徑，難以壓制的纖維性輕質(zhì)原料，常用正向帶錐形過渡階梯孔，直徑為d>10mm、I=1～2d，?=30?！?5。。實現(xiàn)大孔預(yù)壓、小孔成形擠壓的過程，確保制粒的質(zhì)量。
減壓孔的深度和直徑(R、E)：對于纖維含量高的原料，由于它所具有的制粒特性的差異，要求在壓粒的過程中減少通過?？椎淖枇?，即要求在額定受壓后減壓成型藉以降低回彈率。為此，?？讘?yīng)設(shè)計成兩區(qū)段，進料擠壓區(qū)段L和減壓出料區(qū)段R，即L+R=T。減壓出料孔有三種基本形式：直孔、錐孔和錐孔與直孔的組合，其中直孔和錐孔最為常用，它的最大孔徑稍大于?？字睆絛，其深度取決于相應(yīng)的有效工作長度L。在有些情況下，尤其是當(dāng)加工料出現(xiàn)在深減壓孔內(nèi)會膨脹而堵塞，或者當(dāng)減壓孔使環(huán)模的強度降低時，宜采用錐孔與直孔的過渡組合方式，或者采用錐孔。
?？椎呐挪挤绞揭彩黔h(huán)模設(shè)計里面一個很重要的問題。根據(jù)飼養(yǎng)對象的不同，顆粒料的大小也不同，但是一旦飼養(yǎng)對象確定后，顆粒料的大小也就基本確定料，?？椎拇笮∫簿涂梢源_定下來。通常?？椎呐挪挤绞接袃煞N，一種是排成比較整齊的陣列，一種是錯位排布，如圖1-6所示。為了使物料能夠比較好地進入?？?，模孔的排布方式一般是進行錯位排列，通常按等邊三角形布孔，也有按等腰三角形布孔。
環(huán)模工作面的丌孔率是環(huán)模的一項重要指標。它是工作面（內(nèi)壁）?？卓偯娣e除以壞模工作總面積。丌孔率的大小對顆粒機的生產(chǎn)率有很大影響．在考慮壓摸有足夠強度的條件下，盡量提高丌孔率。環(huán)模鉆孔時的排列方式一般沿周向排列，并在寬度方向上排與排之問的小孔相互交錯，使整個鉆出的小孔呈近似等邊角形排列。如果設(shè)小孔的直徑為d，小孔與小孔之間的壁厚為a，環(huán)模開孔率則為v=0.9*(d／a)2=0.9*（d／（d十t））2。
開孔率越高，則出料多。另一方面，模孔間壁厚t越大，則環(huán)模強度越大，開孔率越小。所以要選擇合適的壁厚t來保證環(huán)模強度和開孔率。從上面的公式可以看出，一般的規(guī)律是，?？字睆皆酱螅h(huán)模丌孔率越高。丌孔率越高，出料越通暢，但?？妆诤馤減小了，環(huán)模強度減小。所以一定要根據(jù)強度確定開孔率大小，擠壓力大的草料、秸桿料、木屑等物料環(huán)模的開孔率要比飼料環(huán)模小一點，保證環(huán)模強度，防止環(huán)模丌裂。
模孔的有效長度(L)：?？椎挠行чL度是指物料擠壓（成形）的孔模長度。?？椎挠行чL度越長，物料在?？變?nèi)的擠壓時間越長，制成后的顆粒越，堅硬，強度越好，顆粒質(zhì)量也越好。反之，則顆粒松散，粉化率高，顆粒質(zhì)量降低。
環(huán)模的厚度(T)：綜合考慮模孔的有效長度、減壓孔的深度以及環(huán)模的強度來確定。環(huán)模厚度和孔徑以及被壓物料特性有關(guān)，環(huán)模越厚、?？自缴?、孔徑越小，則孔壁阻力越大，物科擠壓越堅實。壓制不同飼料，不光按孔徑來選用環(huán)模，還需要選用相應(yīng)的最佳環(huán)模厚度，劉選用最佳深（厚）徑比，以便獲得優(yōu)質(zhì)顆粒飼料，還不堵塞?？?。國際上通常選用環(huán)模的厚度(T)為32～127mm。
壓縮比(L／d)：?？椎挠行Чぷ鏖L度L與其孔徑d之比，稱之為長徑比。壓制不同的物料，需要采用相應(yīng)的最佳長徑比，藉以壓制成密實的顆粒制品。例如，壓制玉米粉所需的長徑比一般為12，壓制苜蓿草所需的長徑比為8。使用長徑比這個參數(shù)能夠反映加工料對其環(huán)模結(jié)構(gòu)參數(shù)的相應(yīng)要求。所以，不同粒徑的顆粒只要選用長徑比合適的環(huán)模，能生產(chǎn)出相同質(zhì)量的產(chǎn)品和高的生產(chǎn)效率。不同類型飼料的適宜?？字睆胶蛪嚎s縮比見下表。
 1.3.3環(huán)模線速度
設(shè)計環(huán)模轉(zhuǎn)速時要考慮四個問題：①制粒產(chǎn)量：它與轉(zhuǎn)速沒有正反比關(guān)系，存在最佳轉(zhuǎn)速范圍對應(yīng)最佳產(chǎn)量；②顆粒成形率，太高轉(zhuǎn)速容易把壓制出來的顆粒甩碎，降低成形率，即等于產(chǎn)量下降；③不同飼料配方對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速，以壓制高品質(zhì)飼料；④環(huán)模內(nèi)徑尺寸，環(huán)模運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，轉(zhuǎn)速太高，離心力就越大，影響顆粒機穩(wěn)定性。綜合上面因素和結(jié)合世界制造顆粒機的經(jīng)驗，環(huán)模的轉(zhuǎn)速應(yīng)由環(huán)模內(nèi)徑線速度確定。
根據(jù)經(jīng)驗，模孔直徑小的環(huán)模，應(yīng)采用較高的線速，而模孑L直徑大的環(huán)模則應(yīng)采用較低的線速。環(huán)模的線速，會影響制粒效率、能耗及顆粒的堅實度。在一定范圍內(nèi)，環(huán)模的線速提高，產(chǎn)量增大、能耗提高，顆粒的硬度和粉化率指數(shù)上升。一般認為，?？字睆綖?.2～6.4mm時，環(huán)模的最高線速可達到10m/s;?？字睆綖?6～19mm時，環(huán)模的最高線速應(yīng)限制存6.1～6.6m/s。而在實際應(yīng)用中，國內(nèi)外廠商選用的環(huán)模線速均在3.5～8.5m/s。而一機多用的情況下僅使用一種線速度，是不能適應(yīng)不同種類飼料加工的要求的。比較普遍的現(xiàn)象是，大型顆粒機生產(chǎn)小孔徑顆粒飼料時質(zhì)量不如小型顆粒機效果好，尤其是在生產(chǎn)直徑3mm下的畜禽飼料和水產(chǎn)飼料時特別明顯。環(huán)模的線速過低和爪輥直徑過人是主要因素，這些因素會造成壓制物料穿孔速度過快，從而影響硬度和粉化率指數(shù)。最理想的解決辦法是采用無極調(diào)速。由于位置投資成本的限制，也不太現(xiàn)實。CPM等多家公司采用可調(diào)雙速傳動，以適應(yīng)不同孔徑和原料的加工需要，獲取最佳的生產(chǎn)效果，提高顆粒機的通用性。國外還有多家公司采用同一種機型配置2～3種不同的環(huán)模線速，供客戶選擇，以適應(yīng)不同的專業(yè)生產(chǎn)要求。
1.3.4環(huán)模安裝方式
環(huán)模安裝方式主要有直面式安裝、錐面式安裝和抱箍式安裝。直面式安裝簡單，壞模不易傾斜．但環(huán)模固定螺栓容易剪斷，不適用于大型號的顆粒機．錐面式安裝環(huán)模定心性能好，傳遞扭矩大，環(huán)模固定螺栓不易剪斷，但需要裝配者細心和掌握一定的技巧，不然環(huán)模易裝斜。抱箍式安裝比較適用于小型號的顆粒機，安裝方便，需時短，缺點是環(huán)模本身不對稱，不能掉面使用。
目現(xiàn)市場上環(huán)模安裝方式主要有：螺栓聯(lián)接安裝、錐面聯(lián)接安裝和抱箍聯(lián)接安裝。
螺栓聯(lián)接安裝方式簡單，環(huán)模不易傾斜，但同心度不好及環(huán)模螺栓孔和空軸傳動輪上的螺栓孔位置度不相配時，安裝后可能單只螺栓受力時，螺栓容易斷，選用環(huán)模時要求供應(yīng)商保證螺孔的位置度，并且要求用轉(zhuǎn)模鉆孔。
錐面聯(lián)接安裝的環(huán)模定心性能好，傳遞扭矩大，環(huán)模固定螺栓不易剪斷，但使用中螺栓松動，傳動輪上的錐面磨損后，必須通知供應(yīng)商環(huán)模上的錐面的大小頭直徑都放大一點，環(huán)模制作不能標準化。
抱箍聯(lián)接安裝具有錐面聯(lián)接的定心性能好，傳遞扭矩大等優(yōu)良性能，是一種軸向錐面聯(lián)接方式；環(huán)模使用中擠壓力大，抱箍型聯(lián)接是對環(huán)模很好的加強，但整體抱箍在熱處理時抱箍根部應(yīng)力大，環(huán)模容易丌裂。改成熱壓鑲箍工藝后，熱處理時環(huán)模內(nèi)應(yīng)力小．熱處理后環(huán)模熱壓加箍，環(huán)模內(nèi)生產(chǎn)預(yù)壓應(yīng)力，和壓輥對環(huán)模的擠壓應(yīng)力相抵消。箍材料為碳鋼，可降低不銹鋼材料成本。是一種較好的聯(lián)接方式。
1.3.5環(huán)模直徑與制粒生產(chǎn)效率和品質(zhì)的關(guān)系
(1)環(huán)模內(nèi)徑D和壓帶寬b
根據(jù)單位功率面積理論推導(dǎo)，環(huán)模內(nèi)徑D應(yīng)在一最佳范圍內(nèi)，由單位功率面積A計算式得：
A=πDb/P
在相同環(huán)模面積的情況下，寬度過小使壞模直徑相應(yīng)增大，從而主機整體體積都增加，造成不必要的浪費；寬度過大使物料落入環(huán)模后，不能達到稚料均勻，至使壞模和壓輥在使用的過程中磨損不均勻，壽命減少。所以選擇合理的環(huán)模寬度和直徑，既是保
證壓制機產(chǎn)量的關(guān)鍵，也是提高易損件和整機壽命的關(guān)鍵。經(jīng)研究試驗，～般，b與D的關(guān)系為：
b= (0.2 - 0.3)D=KD
(2)環(huán)模直徑與制粒能耗的關(guān)系
大直徑環(huán)模顆粒機由于增加了環(huán)模的有效工作面積和壓輥的擠壓作用，可提高飼料的生產(chǎn)效率，降低磨損費用和操作成本，使物料能均勻地通過制粒工序，避免過度擠壓，提高顆粒的質(zhì)量。從不同環(huán)模直徑與電耗的關(guān)系見下圖。從圖中可以看出，在相同調(diào)質(zhì)溫度和耐久性指標下，使用小直徑的環(huán)模和大直徑環(huán)模相比電耗有明顯的差異。因此，使用人直徑環(huán)模足降低制粒能耗的一項有效措施。
(3)不同規(guī)模顆粒機質(zhì)量、產(chǎn)量、能耗、成本之間的關(guān)系系
顆粒機的規(guī)模大小，決定了環(huán)模的直徑大小。2臺環(huán)模直徑相差500mm、壓輥直徑相差80mm的顆粒機，在質(zhì)量基本穩(wěn)定的前提下，大直徑環(huán)模、壓輥顆粒機，產(chǎn)量提高65%，能耗低15%。顆粒壓制的規(guī)模越大，相關(guān)成本越低。
(4)環(huán)模的直徑與使用壽命和成本之問的關(guān)系
環(huán)模的直徑與使用壽命成線性關(guān)系，環(huán)模的直徑越大，環(huán)模的使用壽命越長。從而可以降低環(huán)模和廠K輥的磨損費用。環(huán)模直徑900mm與520mm相比，生產(chǎn)每噸飼料可減少環(huán)模和壓輥成本50%，
1.4課題研究的依據(jù)和研究內(nèi)容
我國是飼料牛產(chǎn)的大國，飼料產(chǎn)量占世界總量的1/8，已連續(xù)多年居世界第二位，每年還以lO%以上的速度增長。我國飼料總產(chǎn)量的70%以上為顆粒飼料。環(huán)模顆粒機足顆粒飼料加工的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于畜牧業(yè)家禽養(yǎng)殖業(yè)漁業(yè)等飼料加工。環(huán)模是顆粒機的關(guān)鍵零件，同時也是最主要易損件。根據(jù)統(tǒng)計，環(huán)模損耗費占整個生產(chǎn)車問維修費的25%以上，同時對擠壓出來的顆粒飼料質(zhì)量有著直接的影響。其使用壽命和質(zhì)量的優(yōu)劣卣接影響到顆粒飼料的生產(chǎn)成本和質(zhì)量。
國內(nèi)進行飼料加工設(shè)備研究和生產(chǎn)的企業(yè)也是發(fā)展很快。國內(nèi)對于環(huán)模顆粒機的研究從各個方面各個層次展丌，對于影響環(huán)模顆粒機制粒質(zhì)量、生產(chǎn)率的環(huán)模和壓輥使用壽命等進行了卓有成效的研究。研究資料表明，國內(nèi)的顆粒機與國外相比而言，還有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)上的差距。
本課題以顆粒飼料加工關(guān)鍵設(shè)備環(huán)模顆粒機的關(guān)鍵零件環(huán)模為研究對象，對環(huán)模的材料、熱處理工藝和?？桌浼庸すに囘M行研究。為了實現(xiàn)對環(huán)模的評價，本課題研究過程中，做了大量的試驗，采用試驗設(shè)計的優(yōu)化方法和有限元分析方法相結(jié)合的研究方法。在試驗設(shè)計中，采用正交試驗的方法，分析環(huán)模的材質(zhì)、熱處理工藝和冷加工工藝等試驗因素對環(huán)模質(zhì)量的影響。模孔冷加工工藝主要研究壞模鉆?？壮绦蚣皩Υ植诙鹊挠绊?。環(huán)模熱處理工藝主要研究真空爐淬火溫度對環(huán)模硬度的影響、回火溫度對壞模硬度的影響、真空淬火對環(huán)模?？状植诙鹊挠绊懸约罢婵沾慊稹⒒鼗饘Νh(huán)模尺寸的影響。有限元分析中以UG、ANSYS作為仿真環(huán)境，針對環(huán)模使用壽命的問題，分析環(huán)模在均勻載荷與非均勻載荷時的應(yīng)力與應(yīng)力強度分別情況，提出合理的方案以解決環(huán)模的不均勻磨損。本課題最終形成了真空淬火熱處理標準工藝及環(huán)模?？讟屻@冷加工標準工藝，形成環(huán)模的驗收標準。 第二章試驗材料與方法
2.1試驗材料
40Cr顆粒機環(huán)模材料
4Cr13環(huán)模材料
2.2主要儀器與設(shè)備
HN-3H型紅外碳硫分析儀 無錫英之誠高速分析儀器有限公司
TH160硬度計 北京時代集團公司
金相顯微鏡 中國上海儀器廠
游標卡尺(0. 02mm) 量程：0-300 成都成量工具集團有限公司
西分表頭(0.01mm) 量程：0-5 桂林安一量具有限公司
DCK顯微數(shù)碼照裝置 北京市永十機電技術(shù)公司
CTS-3000超聲波探傷儀 上海豐君儀器儀表有限公司
WE-30型液壓萬能材料試驗機（100N/格）南京利林機電設(shè)備有限公司
CA6140車床 沈陽第一機床廠
Z3050×16/1型搖臂鉆床 沈陽第一機床廠
表面粗糙度比較樣塊 南京高輝精密樣板工具廠
HMCK.J01環(huán)模沉孔機 自制
HMD.J02環(huán)模倒角機 自制
TLM槍鉆 德國IXION公司
WARWICK立式真空淬火爐6.OVVPT 美國SECO公司
真空爐水系統(tǒng) 美國SECO公司
水系統(tǒng)冷凍機 美國SECO公司
5立方米氮氣儲罐 美國SECO公司
1500*1500*1600-90回火爐 美國SECO公司
oxoi-o環(huán)模清洗機 自制
環(huán)模烘干機 自制
2.3試驗方法
2.3.1典型環(huán)模材料的加工工藝
對于同一環(huán)模材料，不同的加工工藝將直接影響環(huán)模的質(zhì)量及質(zhì)量穩(wěn)定性，因此，制定合理的環(huán)模加工工藝非常重要，是提高其使用壽命和穩(wěn)定質(zhì)量的關(guān)鍵。環(huán)模因其結(jié)構(gòu)，一般由鍛造專業(yè)廠家提供環(huán)模鍛打毛坯。一個合理的環(huán)模加工工藝主要包括鍛造、粗車、精車、鉆擴孔、磨內(nèi)孔及在機加工工序間安排適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚒?/span>
①40Cr環(huán)模材料加工工藝
方案1：開料→鍛造→粗車→正火→精車→調(diào)質(zhì)→精車（端面）→鉆（擴）孔→滲氮→磨→試壓→涂防銹油→檢驗入庫
方案2：開料→鍛造→正火→粗車→調(diào)質(zhì)→精車→鉆（擴）孔→淬火→磨→除氧化層→試壓→（磷鈍化）→試壓→涂防銹油→檢驗入庫
②4Cr13環(huán)模材料加工工藝
開料→鍛造→粗車→法蘭孔→鉆孔→倒角→沉孔→清洗→淬火→精磨
高碳高鉻不銹鋼經(jīng)鍛造、數(shù)控車銑、數(shù)控槍鉆、倒角、沉孔及真空熱處理等工序加工成環(huán)模。
2.3.2環(huán)模模坯鍛造方法
環(huán)模模坯采用鍛打工藝，環(huán)模制造商進行鍛造。采用合適的加熱溫度和時間，保證加熱過程中的溫度均勻性，鍛后控制冷卻溫度和速度。
材質(zhì)4Cr13顆粒機環(huán)模，環(huán)模的鍛造工藝是：圓錠經(jīng)鋸床切割成環(huán)模坯料，坯料鍛造加熱入爐溫度為700℃下，預(yù)熱3～5 h，緩慢加熱3～4 h，升溫到1160℃保溫2h后出爐鍛造（始鍛溫度1 140℃，終鍛溫度900℃），往返鍛造4次。終鍛后立即退火，退火工藝為：緩慢升溫到880℃保溫5h，隨爐降溫到660℃后再升到860 C，保溫3h后隨爐冷卻至500℃出爐。
材質(zhì)40Cr顆粒機環(huán)模， 鍛造加熱溫度為1160，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為800℃，冷卻方式為爐冷。
2.3.3環(huán)模模孔加工工藝
(1)?？准庸ぴO(shè)備
環(huán)模模孔加工設(shè)備主要有：自動多工位鉆床、單頭手工鉆、單頭自動鉆等設(shè)備。自動多工位鉆床常見的有：8～12工位的立式或臥式鉆床和4～8工位高速注油深孔槍鉆。
手工鉆分度輸入誤差大，高減速比的分度機構(gòu)也能保證分度的精度，但鉆孔速度控制不好，?？状植诙炔睿鹤詣訂晤^鉆有高的分度精度、嚴格控制的鉆削速度和排屑機制，?？踪|(zhì)量好；雙頭或多頭自動鉆，模孔質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，但分度精度和孔間壁厚均勻性受設(shè)備安裝精度影響大。加工MLlZL600環(huán)模?？?，?？?000孔，四鉆槍鉆加工時間21小時，同等情況下，普通鉆床加工時間為85～95小時左右。
普通鉆床轉(zhuǎn)速為6000r/min左右，?？状植诙葹镽a3. 2～6.3μm。
本試驗主要在某顆粒機集團進行，采用JXION-TLM德國生產(chǎn)槍鉆，保證了環(huán)模?？椎奈恢镁燃氨砻娲植诙?，從而使環(huán)模的產(chǎn)量得到了有效的提高。該槍鉆加工環(huán)模外徑400～1200mm，環(huán)?？讖?.2～3.0mm，轉(zhuǎn)速可達20000 r/min，?？状植诙瓤蛇_Ra0.4～0.8μm
(2)計算開孔率
JXION-TLM多工位自動槍鉆采用電腦排孔軟件包軟件模擬環(huán)模材料強度校核。
環(huán)?？椎呐帕蟹绞接袃煞N方式：
開孔率計算：
A方式排列開孔率：如果設(shè)小孔的直徑為d，小孔與小孔之間的壁厚為a，環(huán)模開孔率為v，則v≈0. 9(12/(d+a)2；
B方式排列開孔率：如果設(shè)小孔的直徑為d，小孔與小孔之間的壁厚為a，環(huán)模開孔率為v，則v≈0.-78d2/(d+a)2;
A方式排列丌孔率大于B方式排列丌孔率，顆粒機產(chǎn)量高。
(3)編制環(huán)模鉆?？壮绦蚩?/span>
1)輸入環(huán)模內(nèi)徑、工作寬度、?？字睆?，確定鉆頭直徑。
2) aIXION (102 104 105)編程參數(shù)計算
邊距A=[環(huán)模邊厚（距>+到邊距離（邊距C）環(huán)模外圓內(nèi)端面到基準面尺寸
邊距B=排間孔距
邊距C一到邊距離
邊厚=環(huán)模的外圓內(nèi)端面到基準面的尺寸
3)進給速度
在鉆頭_丌始前進的過程中，當(dāng)大臂部分向前的時候可以用進給120mm/min的速度，
當(dāng)鉆頭部分向前時，要選用的速度：
①當(dāng)鉆頭前進： 進給速度-70～50mm/min
②當(dāng)看不到鉆頭尖部： 進給速度-50～30mm/min
③當(dāng)看不到整個鉆頭： 進給速度-30～10mm/min
④當(dāng)鉆套與換模間緩沖： 進給速度≤8mm/min
4)根據(jù)參數(shù)，生成環(huán)模鉆?？壮绦蚩ā?/span>
(4)輸入程序加工?？?/span>
(5)模孔沉孔
采用環(huán)模倒角機對環(huán)模?？走M行倒角，倒角后進行去毛刺處理。
(6)?？壮两?/span>
針對制粒特性而設(shè)計的沉孔，稱之為工藝沉孔：針對物料特性而設(shè)計的沉孔，稱之為工作沉孔。
沉孔孔徑計算：沉孔孔徑中D等于?？字睆舰賒+0. 5mm，另外也可針對特殊的物料或客戶的要求而定：
沉孔深度計算：工作沉孔深度H根據(jù)顆粒機功率、孔徑及壓縮比而定，也可根據(jù)客戶的特殊要求而定。
采用環(huán)模沉孔機加工沉孔。
2.3.4環(huán)模熱處理工藝
近年來，我國大型飼料機械生產(chǎn)廠家引進國外了大直徑真空淬火爐，開始采用真空爐對環(huán)模進行整體淬火，這種熱處理方法稱為真空氣淬工藝。相對于傳統(tǒng)的整體淬火，這種真空熱處理技術(shù)具有如下優(yōu)點：工件變形??；熱處理后的金屬表面非常光潔，沒有氧化、腐蝕、脫碳或增碳等現(xiàn)象發(fā)生。特別是環(huán)?？椎拇植诙仍谡婵諝獯愫蠡旧喜唤档停@對保證顆粒飼料的產(chǎn)量至關(guān)重要。另外真空熱處理爐用途廣泛，且節(jié)能、安全可靠、無污染，易于實現(xiàn)自動化操作。
本試驗采用SECO/WARWICK立式真空淬火爐，一次熱處理工件的最大裝載量lOOOkg;用作氣淬冷卻介質(zhì)的氣體為氮氣。
(1)清洗、干燥
環(huán)模加工成形后，熱處理前對環(huán)模采用環(huán)模清洗機進行清洗。
環(huán)模在清洗機中清洗,3～4h，清除油污、銹跡、?？字需F屑。取出后放入環(huán)模烘干機烘干，烘干溫度180℃，時間3h。
(2)裝爐
待環(huán)模完全干燥后，入爐處理。環(huán)模平放在爐床中心，垂直疊放。環(huán)模與環(huán)模之問用墊塊隔開。環(huán)模在真空室內(nèi)放置時，相互之間要用兩根長條形的金屬棒隔開。一是工件在真空室內(nèi)的受熱方式主要是輻射換熱，因此相互之間盡量不要遮擋，環(huán)模不應(yīng)直接疊放在一起。二是通過會屬棒的接觸使環(huán)模之間相互牽制，可減少其在熱處理過程中變形。同時可保證環(huán)模熱處理后的硬度均勻性。
(3)加熱
設(shè)置一定的真空度下，將置于密閉真空爐內(nèi)的環(huán)模加熱到奧氏體化溫度以上，保溫后，使Cr合物溶于組織中。
(4)保持均溫
保持均溫的時間長短可按式計算：T=ah。
式中，h是工件的有效厚度。對于大部分環(huán)模，其值應(yīng)在40～100mm的范圍內(nèi)。a是保溫系數(shù)。對于1040℃左右的加熱溫度，其值為0.5 min／mm（環(huán)模壁厚），保溫時間設(shè)定為45～50 min。
在加熱周期中，環(huán)模在650℃和850℃兩處分別經(jīng)歷了持續(xù)時間45min的預(yù)熱均溫階段。原因有兩個，一是高鉻不銹鋼的導(dǎo)熱率比普通碳鋼要低，因此環(huán)模的外表而與內(nèi)部中心的溫差比較大，為消除由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力，有必要保溫一段時問以盡量減小溫差。二是由于在升溫過程中，環(huán)模的實際溫度要低于真空室內(nèi)溫度，環(huán)模尺寸越大，這種溫度滯后現(xiàn)象越嚴重。因此需要保溫一段時問以使得環(huán)模內(nèi)部的實際溫度上升，更趨近于圖2-5所示的加熱周期中的真空室內(nèi)溫度。當(dāng)真空室內(nèi)被加熱到最高溫度1040℃時，保持了50min的均溫。 
淬火工藝圖由加熱周期、氣淬周期和回火周期三部分組成。
(5)淬火
氣淬周期開始后，高速、高壓的氮氣噴入真空室內(nèi)對環(huán)模以大于臨界冷卻速度進行快速冷卻，溫度下降到大約40℃左右，以獲得馬氏體組織。環(huán)模保持60min的均溫。其目的是減小環(huán)模各處的溫差，減小熱應(yīng)力，另有一定量的下貝氏體形成，從而有效地防止環(huán)模的變形和丌裂。這種淬火冷卻方法稱為等溫淬火，它是高硬度的耐磨性工件的常用淬火處理方法。
(6)回火
真空氣淬工藝主要的缺點是熱處理時間較長。按照上述工藝，每爐裝載的環(huán)模一般需要6h左右的時間才能完成真空氣淬，這要比采用鹽浴爐進行整體熱處理所花的時間長得多。為了提高加工效率，將回火區(qū)與淬火區(qū)分丌處理，采用專用回火爐進行回火加工。將環(huán)模從淬火爐中取出，放入回火爐回火，使工件獲得良好的使用性能，以充分發(fā)揮材料的潛力。
2.4測定方法
2.4.1鍛坯質(zhì)量的測定方法
(1)材料成分測定
1)C和S的檢測
采用HN-3H型紅外碳硫分析儀，檢測C和S的成分。
2) Cr的測定
稱取試樣0.1g，于150ml錐形瓶中，加鹽硝混酸20ml，加熱使試樣溶解，加硫磷混酸20ml，加熱至冒硫酸煙，取下冷卻，移至100ml量瓶中，稀釋至刻度搖勻。
吸取試液25ml兩份分別置于200ml錐形瓶中，加水50ml，加硝酸銀5ml，過硫酸銨1g，硫酸(1:1)10ml，煮沸3分鐘，加氯化鈉5ml，冷卻，加N一指示劑3-4滴，用硫酸亞鐵銨滴至玫瑰色消失，轉(zhuǎn)為亮綠色。
(2)環(huán)模鍛打質(zhì)量的測定
對于4 Crl:3材料的環(huán)模鍛造工藝要求為加熱溫度和時間合適，常見環(huán)模鍛造問題是：
1)加熱溫度過高和時問過長，鍛坯呈黃白色，估計溫度超過1200℃，此時鍛坯易出現(xiàn)表層過燒，整體過熱，組織粗大晶粒不均勻現(xiàn)象。
2)爐溫均勻性差。加熱過程中因溫度不均勻使鍛件過熱或局部過燒造成品粒粗大、鍛坯的均質(zhì)性差。鍛件尺寸越人，這種現(xiàn)象就越嚴重。在隨后的熱處理工藝中難以消除這種缺陷，也是造成環(huán)模丌裂的常見原岡。
3)鍛后冷卻溫度、速度控制不好，如果冷卻速度非常緩慢，容易發(fā)生奧氏體再結(jié)晶，已經(jīng)被鍛造中細化的晶粒會發(fā)生異常長大造成混晶。
(3)外形尺寸
根據(jù)合同訂貨合同對鍛坯進行尺寸檢驗，采用游標卡尺測量，要求尺寸精度為±1mm。
以內(nèi)圓為基準，采用回轉(zhuǎn)工作臺和百分表檢驗鍛坯外圓及端面跳動量控制在1.0mm之內(nèi)。
(4)力學(xué)性能
硬度
鍛坯的交貨狀態(tài)為完全退火處理狀態(tài)，其組織為：鐵素體基體上分布著碳化物及晶界上網(wǎng)狀分步著碳化物顆粒。用金相顯微鏡作鍛坯的金相分析，按鍛坯批次作一次金相檢驗并記錄。
鍛坯交貨硬度170～220HB;如果硬度過高，鉆孔時鉆頭易斷裂，并造成死孔，硬度過低則影響?？椎拇植诙?。用硬度計按GB/T 231標準檢測鍛坯的硬度值，每個環(huán)模鍛坯做交貨硬度檢驗并記錄。
其他力學(xué)性能
材科力學(xué)性能指標應(yīng)符合下表規(guī)定。
用WE，3()型液壓力．能材料試驗機檢查環(huán)模材料的抗拉強度和沖擊韌性，每爐鋼錠作一次材料力學(xué)性能檢驗并記錄。
(5)缺陷
鍛件不得有裂紋、折迭、縮孔、縮松、夾雜和其他影響使用性能的缺陷。
表面缺陷可以鏟除，根據(jù)具體環(huán)模成品尺寸鏟除，其鏟除后的尺寸只要大于環(huán)模成品尺寸均可進行入庫試車，在鍛坯外圓面上標記鍛坯鏟除后具體尺寸的醒目標識。
采用超聲波探傷儀對每個毛坯進行內(nèi)部探傷，控制毛坯內(nèi)部材質(zhì)的均勻性，防止毛坯內(nèi)部有裂紋、氣孔、夾砂等缺陷。
1)在任100mm寬度的全圓周帶內(nèi)不允許有大于直徑4當(dāng)量缺陷存在，但允許中2≤d≤直徑4當(dāng)量缺陷彌散存在，數(shù)量不超過四個，且測長不超過20mm。
2)密集缺陷只跟蹤記錄，不作檢驗依據(jù)。
2.4.2模孔冷加工質(zhì)量的測定
(1)表面粗糙度
用表面粗糙度比較樣塊檢驗?zāi)？妆砻娲植诙?，Ra值不大于1.6μm．
(2)尺寸精度
采用游標卡尺等量具檢驗環(huán)模模孔的尺寸精度不低于GB/T 1800.3中規(guī)定的IT7;圓度不低于GB/T 1182中規(guī)定的IT7;位置度不低于0.lmm。
(3)盲孔和交叉孔孔數(shù)
用目測計數(shù)法檢驗環(huán)模的盲孔數(shù)和交叉孔數(shù)，不允許有交叉孔。環(huán)模上每力．?？字械拿た讛?shù)符合下表規(guī)定．
2)對倒角進行檢驗，倒角表面粗糙度Ra值不大于I．6μm：相鄰倒角的搭邊不小于0. 5mm;目測倒角表面粗糙度均勻、整齊。
?？壮量?/span>
采用游標卡尺檢驗?zāi)？椎纳疃群涂讖健?/span>
2.4.3熱處理質(zhì)量的測定
(1)硬度
每個環(huán)模熱處理后，用硬度計在顆粒機環(huán)模的兩端面及內(nèi)圓面各取至少8點測硬度值其表而硬度為52～55HRC，其各部位的硬度值之差應(yīng)不大于HRC3。
(2)環(huán)模表面質(zhì)量
真空氣淬后的環(huán)模表面應(yīng)非常光潔，面發(fā)銀白色或發(fā)金黃色。
(3)?？状植诙?/span>
用表面粗糙度比較樣塊檢驗?zāi)？妆砻娲植诙取?/span>
(4)淬火后的組織
采用會相顯微鏡觀察淬火后的材料金相組織，環(huán)模金相組織為馬氏體+碳化物+殘余奧氏體。
(5)環(huán)模變形
用真空淬火，環(huán)模在熱處理后具有微小的變形。采用量具檢測，尺寸變化范圍控制在+ 0.5～1 mm。
2.4.4環(huán)模使用壽命的測定
環(huán)模的使用壽命采用在飼料生產(chǎn)廠家處統(tǒng)計環(huán)模生產(chǎn)量的方法進行。 第三章試驗結(jié)果與討論
3.1顆粒機環(huán)模材料對環(huán)模質(zhì)量的影響
3.1.1不同材料對環(huán)模使用壽命的影響
由于顆粒機環(huán)模成品既要表面硬度高，又要有一定的韌性。同時，由于某些飼料和添加劑在高溫、高壓下對環(huán)模有腐蝕作用，又要求環(huán)模材料具有耐腐蝕性，幾個因素相互制約。4Cr13材料的剛度和韌性都較好，熱處理硬度為52～55HRC，并具有良好的耐磨性和耐腐蝕性．使用壽命較長。經(jīng)大量飼料生產(chǎn)廠家使用情況統(tǒng)計，4Cr13環(huán)模材料噸料環(huán)模費用最低，是完全適合制粒機使用場合的一種環(huán)模材料。
3.1.2 C含量及Cr含量對環(huán)模性能的影響
(1)C含量對材料硬度的影響
出圖可以看出，隨著碳含量的增加，環(huán)模的硬度上升。C含量≤0.42%～0.50%之問，環(huán)模鍛坯硬度為170～220HB。
(2) 4Cr13材料Cr含量對環(huán)模硬度的影響
經(jīng)多次試驗，4Cr13材料中Cr含量從12%～14%，環(huán)模硬度基本沒有變化。
(3) 4Cr13材料Cr含量對環(huán)模使用壽命的影響
由圖3-2 可以看出，實際使用中含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)量的源頭是從鋼錠開始，要確保Cr含量12. 5%以上。
3.2鍛造溫度對4Cr13環(huán)模材質(zhì)的影響
由上圖可以看出，環(huán)模毛坯鍛造時加熱溫度過高和時間過長，鍛坯呈黃白色，溫度超過1200℃，此時鍛坯易出現(xiàn)表層過燒，整體過熱，組織粗大品粒不均勻現(xiàn)象。加熱過程中因溫度不均勻使鍛件過熱或局部過燒造成品粒粗大、鍛坯的均質(zhì)性差。鍛件尺寸越大，這種現(xiàn)象就越嚴重。在隨后的熱處理工藝中難以消除這種缺陷，也是造成環(huán)模丌裂的常見原因。
3.3冷加工工藝對環(huán)模模孔質(zhì)量的影響
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。采用槍鉆鉆環(huán)?？讜r，環(huán)?？讖胶娃D(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響：
由圖可以看出，采用槍鉆加工環(huán)模模孔，?？渍鎻綖?5mm時，主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min時，表面粗糙度為1.6 u m；轉(zhuǎn)速為5000r/min時，表面粗糙度可達到0.8μm。
采用槍鉆加工環(huán)模?？?，?？字睆綖?1. 6mm時，轉(zhuǎn)速為9000r/min時，表面粗糙度為1.6 u m；轉(zhuǎn)速為13000r/min時，表面粗糙度可達到0.8 pm。
對于普通鉆床，一般最高轉(zhuǎn)速為3000～5000r/min，加工出的表面質(zhì)量較差，加工小孔徑環(huán)模時，由于粗糙度不合格，在環(huán)模的帶料試驗中無法出料。
3.4熱處理加工工藝對環(huán)模質(zhì)量的影響
3.4.1淬火溫度對環(huán)模硬度和沖擊韌性的影響
(1) 4Cr13材料的奧氏體化溫度為1000℃左右，環(huán)模的最終加熱溫度（氣淬溫度）應(yīng)比此值高一點以形成奧氏體組織。如果環(huán)模的真空氣淬溫度較高，則熱處理后的硬度就會較高，但也極易形成淬火裂紋。而且在高溫的真空環(huán)境里，高鉻不銹鋼內(nèi)的合金元素如Cr、Mn等的蒸發(fā)量會加大，從而可能降低了壞模的力學(xué)性能。因此環(huán)模的真空氣淬溫度不能太高。
淬火溫度對環(huán)模硬度的影響見下圖。
出圖可以看出4Cr13環(huán)模的淬火溫度從1020℃提高到1060℃，其硬度隨著加熱溫度的提高而上升。
淬火溫度從1030。C上升到1050，硬度可提高1～1.5HRC。
(2)奧氏體化溫度對沖擊韌性的影響
淬火溫度從1040℃上升到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。
3.4.2真空淬火對環(huán)模?？状植诙鹊挠绊?/span>
環(huán)模孔的粗糙度在真空氣淬后基本上不降低，槍鉆加工后料糙度為0.8μm，經(jīng)檢驗，熱處理后的粗糙度仍然為0.8μm；槍鉆加工后后粗糙度為1. 6μm，經(jīng)檢驗，熱處理后的粗糙度仍然為1.6μm。Ra值和熱處理前相比，基本不降低。
3.4.3回火溫度對環(huán)模硬度和沖擊韌性的影響
環(huán)模的使用性能是個綜合性的問題，如硬度太高，雖然耐磨性很好，但脆性很大，在使用中容易丌了。而硬度太低，由于容易使?？仔纬蓴U孔及壞模與壓輥工作面產(chǎn)生磨損，影響使用壽命。4Cr13環(huán)模具有高強度和高耐磨性，但也有很大的裂紋敏感性，所以淬火后的回火相當(dāng)重要。
(1)回火溫度對環(huán)模硬度的影響
高溫回火，綜合力學(xué)性能提高，但硬度比回火前下降；中溫回火，硬度也較回火前稍有下降，但獲得高的屈強比、彈性極限、韌性；低溫回火，能保持淬火馬氏體的高硬度和高耐磨性，同時降低淬火應(yīng)力和脆性。
4Cr13顆粒機環(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)不同回填氣體壓強下，冷卻溫度對時間的變化曲線
由上圖可以看出，在相同的裝載量情況下，增加回填氣體壓強能明顯提高環(huán)模的冷卻速度。充填1.6bar壓強的氣體，與充填1.3bar壓強的氣體相比，快速冷卻時間可縮短23%。
(2)不同回填氣體壓強對環(huán)模硬度的影響
由上圖可以看出，在相同的裝載量情況下，增加回填氣體壓強能明顯提高環(huán)模的硬度。充填1.6bar壓強的氣體，與充填1.3bar壓強的氣體相比，硬度提高2～3HRC。
(3)回填氣體壓強對尺寸變化的影響
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，一方面會使環(huán)模不完全出料，影響產(chǎn)量；另一方面會使壓輥在環(huán)模內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)到時，產(chǎn)生不連續(xù)的跳動，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，有可能產(chǎn)生微裂紋，并使微裂紋擴展，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顆粒機環(huán)模經(jīng)多次試驗結(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
在顆粒機環(huán)模的設(shè)計工作中，傳統(tǒng)的計算和分析方法很難精確地計算顆粒機環(huán)模各個部分的應(yīng)力和變形情況，因此缺乏設(shè)計的理論依掘，只是用一些經(jīng)驗公式進行粗略計算。目前國內(nèi)外應(yīng)用有限元分析技術(shù)在機械方面進行了一些研究，取得了很好的效果，但對于環(huán)模顆粒機這類飼料機械還應(yīng)用較少。本課題采用有限元分析方法對顆粒機環(huán)模進行系統(tǒng)的仿真試驗，用有限元分析方法計算顆粒機環(huán)模的應(yīng)力和變形，為顆粒機環(huán)模設(shè)計提供依據(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)計平臺，廣泛的應(yīng)用于各制造領(lǐng)域，它是一個全三維、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、機構(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，尤其是在實體造型方面功能強大。
(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)進行定量的研究、試驗和分析，它既不是實驗方法，也不是理論方法，而是在大量的試驗基礎(chǔ)上，通過基本原理構(gòu)建的一套數(shù)值計算模型。
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)過大量的實例驗證，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式。它將在整個積分區(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)計具有很好的指導(dǎo)意義，同時通過對環(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)模和壓輥的強度和剛度計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?。辉僬?，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，其使用壽命是評價環(huán)模制粒機性能的重要指標。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)模上的模孔被擠出，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過程，Ansys有強大的接口能力和對實體的力學(xué)分析功能。本文采取UG建立實體三維模型，通過中間軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的平臺，利用Ansys的高級接口技術(shù)，實現(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個節(jié)點．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)模和壓輥的間距會比沒有工作時大一些，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)反而磨損嚴重。
3.5.3環(huán)模實際磨損情況
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即為壓輥的實際磨損照片，環(huán)模與壓輥磨損曲線如圖3-21。
從實際磨損情況看，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?。?/span>
3.5.4結(jié)論
結(jié)合受力分析及實際磨損情況，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現(xiàn)：
(5)相關(guān)分析需要根據(jù)實驗進一步驗證。
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，而進一步優(yōu)化環(huán)模制粒機的結(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，但可以顯著增強環(huán)模的耐腐蝕性。實際使用中含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?. 6mm時，轉(zhuǎn)速為9000r/min時，表面粗糙度為1.6“m：轉(zhuǎn)速為13000r/min時，表面粗糙度可達到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，由于粗糙度不合格，在環(huán)模的帶料試驗中無法出料。
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?？状植诙鹊幕緵]有影響。
5、4Cr13環(huán)模具有高強度和高耐磨性，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?？缀凸ぷ髅娴哪p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，增加回填氣體壓強能明顯提高環(huán)模的冷卻速度和硬度。充填L 6bar壓強的氣體，與充填1.3bar壓強的氣體相比，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、在顆粒機環(huán)模的設(shè)計工作中，傳統(tǒng)的計算和分析方法很難精確地計算顆粒機環(huán)模各個部分的應(yīng)力和變形情況，因此缺乏設(shè)計的理論依據(jù)，只是用一些經(jīng)驗公式進行粗略計算。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的應(yīng)力與應(yīng)力強度分別情況，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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