摘要：皮帶機(jī)是解決大規(guī)模物料運(yùn)輸?shù)挠行侄?。為了提升皮帶輪的使用性能，本文提出了一種旋壓加工工藝。該工藝用旋輪的徑向進(jìn)給成型代替了鍛壓加工過(guò)程中的車削、銑削等工藝，節(jié)省了毛坯料的用料量。在旋壓加工工藝的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步給出了皮帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)配置。基于有限元仿真軟件，對(duì)皮帶輪旋壓加工過(guò)程進(jìn)行仿真分析，該應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)皮帶輪旋壓加工具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：皮帶機(jī)械；皮帶輪；旋壓加工；鍛壓加工；有限元仿真

中圖分類號(hào)：TH16""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在大規(guī)模的物料運(yùn)輸過(guò)程中，通常采用傳送效率較高的傳送機(jī)械，以提高物料的運(yùn)輸效率。在此類傳送機(jī)械中，皮帶機(jī)械是最常用的一種機(jī)械[1]。皮帶機(jī)具有非常突出的特點(diǎn)，包括工作原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低、物料傳送量大、運(yùn)輸速度快以及運(yùn)輸效率高。構(gòu)成皮帶機(jī)的核心構(gòu)件為傳送帶和皮帶輪[2]。傳送帶是閉環(huán)的帶狀結(jié)構(gòu)，在物料運(yùn)輸過(guò)程中往復(fù)動(dòng)作。皮帶輪是傳送帶的支撐構(gòu)件和傳動(dòng)構(gòu)件，使傳送帶按照預(yù)想位置和軌跡完成物料運(yùn)輸。同時(shí)，皮帶輪是整個(gè)皮帶機(jī)械的主動(dòng)件，可帶動(dòng)傳送帶傳動(dòng)。與傳送帶的絕對(duì)長(zhǎng)度相比，皮帶輪的半徑短且周長(zhǎng)短，傳送帶完成一次周期傳動(dòng)時(shí)，皮帶輪需要轉(zhuǎn)過(guò)多個(gè)周期。因此，在持續(xù)傳送的工作過(guò)程中，皮帶輪的磨損會(huì)更多，也更容易出現(xiàn)疲勞破壞問(wèn)題[3]，皮帶輪的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)皮帶機(jī)能否可靠使用。本文基于旋壓加工工藝，進(jìn)行了皮帶輪的加工工藝設(shè)計(jì)和尺寸形狀設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過(guò)有限元軟件對(duì)其性能進(jìn)行分析。

1皮帶輪鍛壓工藝流程分析

皮帶輪具有支撐和傳動(dòng)傳送帶的作用，因此在強(qiáng)度方面具有較高要求。在大多數(shù)大型皮帶機(jī)中，皮帶輪一般采用低碳鋼來(lái)制作，以滿足物料運(yùn)輸過(guò)程中的力學(xué)性能要求。低碳鋼材料的皮帶輪加工成型一般采用鍛壓加工方法，該方法的加工工藝流程如圖1所示。

從圖1可以看出，皮帶輪的鍛壓加工成型工藝包括11步驟。第一個(gè)步驟，毛坯料下放；第二個(gè)步驟，對(duì)毛坯料進(jìn)行加熱處理；第三個(gè)步驟，對(duì)加熱后的毛坯料進(jìn)行模鍛處理；第四個(gè)步驟，對(duì)加熱模鍛的毛坯料進(jìn)行切邊處理；第五個(gè)步驟，對(duì)切邊后的毛坯料進(jìn)行整形處理；第六個(gè)步驟，通過(guò)熱處理去除加工過(guò)程中的殘余應(yīng)力并改進(jìn)低碳鋼材料的切削性能；第七個(gè)步驟，進(jìn)行皮帶輪的端面車削加工；第八個(gè)步驟，對(duì)車平端面后的盤(pán)型零件進(jìn)行沖孔加工；第九個(gè)步驟，對(duì)皮帶輪中裝卡傳送帶的型槽進(jìn)行粗車加工；第十個(gè)步驟，對(duì)皮帶輪中裝卡傳送帶的型槽進(jìn)行精車加工；第十一個(gè)步驟，對(duì)加工好的皮帶輪進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，將合格品入庫(kù)并等待組裝。

皮帶輪的鍛壓加工是比較成熟的工藝，但經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這種加工方法存在一個(gè)典型的缺點(diǎn)，即產(chǎn)生的加工廢料多，在車削、銑削、沖孔等多個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)形成廢料，從而嚴(yán)重降低了材料的使用效率。為此，本文用一種旋壓加工工藝來(lái)代替鍛壓加工工藝。

2皮帶輪的旋壓加工工藝設(shè)計(jì)

與鍛壓加工相比，旋壓加工的突出特點(diǎn)就是節(jié)省材料、加工效率高。旋壓加工的核心是旋輪通過(guò)徑向進(jìn)給壓力將毛坯料壓縮成型，從而省去了大量的車削、銑削加工，避免了材料的浪費(fèi)。毛坯料在承受旋輪進(jìn)給壓力的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生塑性變形，即形成皮帶輪的最終形狀。

在制作皮帶輪的過(guò)程中，如果旋壓工藝沒(méi)有改變毛坯料的厚度，就稱旋壓為普通旋壓。如果旋壓工藝改變了毛坯料的厚度，就稱旋壓為強(qiáng)力旋壓。可見(jiàn)，普通旋壓加工僅改變了毛坯料的形狀，而強(qiáng)力旋壓加工改變了毛坯料的形狀和厚度。皮帶輪這種具有輪轂特征的多型腔構(gòu)件需要經(jīng)過(guò)多工位多次旋壓進(jìn)給，才能形成最終的形狀?；谛龎杭庸すに嚨钠л喅尚图庸ち鞒倘鐖D2所示。

皮帶輪旋壓加工工藝的流程包括以下7個(gè)步驟。第一個(gè)步驟，對(duì)用于加工皮帶輪的毛坯料進(jìn)行預(yù)熱處理，改變其可旋壓的力學(xué)性能；第二個(gè)步驟，將預(yù)熱后的用于加工皮帶輪的毛坯料固定在加工平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)模具上；第三個(gè)步驟，旋轉(zhuǎn)輪沿著徑向進(jìn)給完成旋壓成型，圓周凹槽成型的剖面結(jié)果如圖2中第一次成型的效果；第四個(gè)步驟，根據(jù)皮帶輪的尺寸需求確定是否需要通過(guò)旋輪對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行擴(kuò)孔，并增大皮帶輪中央孔的半徑；第五個(gè)步驟，對(duì)左、右兩側(cè)的輪轂邊緣進(jìn)行淺車削；第六個(gè)步驟，運(yùn)用“V”形輪對(duì)左、右邊緣進(jìn)行齒形型槽加工；第七個(gè)步驟，將旋壓加工的環(huán)境溫度降至室溫，完成加工。按照旋壓法完成加工的皮帶輪的形狀和尺寸如圖3所示。

皮帶輪內(nèi)壁的壁厚如公式（1）所示。

（1）

式中：H1為皮帶輪的內(nèi)壁壁厚；d1為皮帶輪的中心孔內(nèi)直徑；d2為皮帶輪的中心孔外直徑。

皮帶輪在中心輪轂外的支撐環(huán)寬度如公式（2）所示。

（2）

式中：B為皮帶輪在中心輪轂外的支撐環(huán)寬度；d2為皮帶輪

的中心孔外直徑；d3為支撐環(huán)左、右兩側(cè)極限位置間的距離。皮帶輪外輪轂的厚度如公式（3）所示。

（3）

式中：H2為皮帶輪外輪轂的厚度；d3為支撐環(huán)左右兩側(cè)極限位置間的距離；d4為皮帶輪整體的最大外徑。

皮帶輪的縱向厚度如公式（4）所示。

L=n·s（4）式中：L為皮帶輪的縱向厚度；n為邊緣型槽的齒數(shù)；s為邊緣型槽的齒間距。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)過(guò)程可知，皮帶機(jī)中皮帶輪的旋壓設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理計(jì)算和配置關(guān)鍵參數(shù)，包括皮帶輪內(nèi)壁的壁厚、皮帶輪在中心輪轂外的支撐環(huán)寬度、皮帶輪外輪轂的厚度和皮帶輪的縱向厚度等。為了使上述參數(shù)能夠滿足要求，旋壓加工過(guò)程中需要充分考慮皮帶輪材料的性能、承受能力，在旋壓過(guò)程中要減少?zèng)_擊和，尤其要盡可能控制壁厚較薄位置的旋壓沖擊強(qiáng)度和速度。

從皮帶輪的結(jié)構(gòu)來(lái)看，其整體的型槽加工會(huì)使原本薄片狀的材料經(jīng)過(guò)多次旋壓且這些旋壓加工的方向相反，有的為正向沖擊，有的為反向沖擊，這樣的沖擊過(guò)程會(huì)進(jìn)一步增加旋壓加工過(guò)程中薄片狀材料被破壞的可能性。因此，在整個(gè)旋壓加工過(guò)程中還要配合關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)、關(guān)鍵步驟的強(qiáng)度校核和檢驗(yàn)，以保障薄片狀材料的安全性。旋壓加工既與前期的理論計(jì)算和分析有關(guān)，又對(duì)操作人員有較高要求，因此在正式加工前進(jìn)行仿真驗(yàn)證是十分必要的。

3皮帶輪加工過(guò)程的有限元分析

為了驗(yàn)證皮帶輪旋壓工藝加工流程和尺寸設(shè)計(jì)的有效性，本文將基于有限元分析軟件平臺(tái)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行仿真分析。

本文在有限元分析的過(guò)程中設(shè)定的各種關(guān)鍵參數(shù)如下所示。第一組參數(shù)，毛坯料的熱預(yù)旋溫度設(shè)定為900℃，用于旋輪加工的旋轉(zhuǎn)輪的速度設(shè)定為31.4rad/s，旋轉(zhuǎn)輪旋壓過(guò)程中的徑向進(jìn)給速度設(shè)定為0.1mm/r，旋壓輪的直徑設(shè)定為120mm，剪切摩擦系數(shù)設(shè)定為0.25，旋轉(zhuǎn)輪旋壓過(guò)程中的徑向進(jìn)給量設(shè)定為0.9mm。第二組參數(shù)，毛坯料的冷預(yù)旋溫度設(shè)定為20℃，用于旋輪加工的旋轉(zhuǎn)輪的速度設(shè)定為31.4rad/s，旋轉(zhuǎn)輪旋壓過(guò)程中的徑向進(jìn)給速度設(shè)定為0.1mm/r，旋壓輪的直徑設(shè)定為120mm，旋壓加工過(guò)程中剪切摩擦系數(shù)的設(shè)定為0.12，旋轉(zhuǎn)輪旋壓過(guò)程中的徑向進(jìn)給量設(shè)定為0.6mm。

基于上述參數(shù)，在有限元仿真平臺(tái)上完成的皮帶輪邊緣加工過(guò)程如圖4所示，包括邊緣平面槽成型過(guò)程和齒形成型過(guò)程。

對(duì)皮帶輪的邊緣進(jìn)行平面型槽加工，加工后得到如圖4（a）所示的結(jié)果。旋壓輪執(zhí)行側(cè)向進(jìn)給，隨著進(jìn)給深度增加，毛坯料的平槽底部表面開(kāi)始出現(xiàn)淺齒形波紋形狀。在側(cè)向進(jìn)給量不斷增加的情況下，齒形逐漸形成。在這個(gè)加工過(guò)程中，被加工的金屬殘屑不斷飛出。此處的旋壓加工輪是“V”形輪，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的持續(xù)旋轉(zhuǎn)作業(yè)下，平槽底部的齒形逐漸加工完成，最終得到完整形狀。

在上述平槽齒形加工過(guò)程中，由有限元分析軟件得出的應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）和圖5（b）分別對(duì)應(yīng)圖4（a）和（b）。從圖5（a）中可以看出，在皮帶輪邊緣型槽開(kāi)槽型腔的過(guò)程中，開(kāi)槽刀具由外向里逐步推進(jìn)，起刀時(shí)對(duì)毛坯料的應(yīng)力最大，并且最大位置出現(xiàn)在左側(cè)槽肩和右側(cè)槽肩的頂部。隨著刀具逐步向內(nèi)進(jìn)展延伸，皮帶輪邊緣平面槽底部和側(cè)面都均受力均勻。在該加工階段，邊緣平面槽的應(yīng)力分布均衡且不復(fù)雜。

從圖5（b）中可以看出，在齒形成型加工過(guò)程中，“V”形輪也是由外向里推進(jìn)，因此外側(cè)的應(yīng)力高于內(nèi)側(cè)的應(yīng)力，應(yīng)力最大位置仍然是左側(cè)槽肩和右側(cè)槽肩的頂部，并且覆蓋面積和深度更大。隨著齒形加工逐步向內(nèi)推進(jìn)，應(yīng)力變小且

應(yīng)力分布更平穩(wěn)。與圖5（a）的情況相比，圖5（b）加工過(guò)程中的應(yīng)力分布更復(fù)雜，這也是皮帶輪加工過(guò)程中需要注意的關(guān)鍵步驟，應(yīng)避免應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致的齒形破壞，還要盡可能考慮復(fù)雜應(yīng)力對(duì)加工過(guò)程中和加工后皮帶輪的影響。

4結(jié)論

包括水泥、煤炭等在內(nèi)的大規(guī)模物料運(yùn)輸離不開(kāi)高效的運(yùn)輸機(jī)械。皮帶機(jī)是完成此類任務(wù)的常見(jiàn)選擇。在皮帶機(jī)的構(gòu)成中，皮帶輪具有支撐傳送帶的作用，并通過(guò)自身轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)皮帶輪傳動(dòng)。因此要做好皮帶輪的設(shè)計(jì)工作，才能確保皮帶機(jī)械的使用壽命更長(zhǎng)。本文分析了基于鍛壓加工的皮帶輪加工工藝。由于該工藝復(fù)雜的車削、銑削過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的材料浪費(fèi)，因此本文提出了基于旋壓加工的全新工藝，給出了完整的加工工藝流程和皮帶輪的尺寸結(jié)構(gòu)旋壓加工效果，并在有限元仿真軟件下，給出了皮帶輪旋壓加工過(guò)程的應(yīng)力分析結(jié)果。

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