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摘要
本文以颗粒饲料加工关键设备环模颗粒机的关键零件，也是最主要的易损件一环模为研究对象，对环模的材料、热处理工艺和模孔冷加工工艺进行研究。为了实现对环模的评价，本课题研究过程中，采用试验设计的优化方法和有限元分析方法相结合的研究方法。在试验设计中，采用正交试验的方法，以江苏牧羊集团环模为基本型，分析环模的材质、热处理工艺和冷加工工艺等试验因素对环模质量的影响。
首先，研究环模材料的选择对环模性能和使用寿命的影响，主要选用40Cr和4Crl3两种材料进行对比试验。40Cr材料的硬度和冲击韧性比4Cr13高，但是从表面到芯部硬度逐渐递减，耐腐蚀性不好，从环模的实际使用情况并综合考虑，选择4Cr13作为合适的环模材料。实际使用中含Cr量12%左右的环模使用寿命比含Cr量14%的环模在其它处理相同的条件下，其使用寿命减小1/3以上：所以要确保Cr含量12.5%以上。
模孔冷加工工艺主要研究切削转速对模孔粗糙度的影响，切削转速越大，模孔表面质量越好，加工的模孔孔径越小，切削转速越高。
环模热处理工艺主要研究真空炉淬火、回火温度对环模硬度和冲击韧性的影响、真空淬火对环模模孔粗糙度的影响、回填气体压强对环模冷却速度和硬度的影响以及热处理对环模尺寸的影响。
热处理淬火温度从1030℃上升到1050℃，硬度可提高1～1.5HRC; 1060℃淬火，硬度虽然较高，但冲击韧性下降明显。所以，采用1040℃淬火最为合适。为保证环模在回火后仍能保持较高的硬度，同时义要避开回火发生脆性的温度区，环模采用200℃低温回火，环模的最终使用硬度在52～55HRC左右，这样，既可以保证环模不丌裂，又可保证模孔和工作面的磨损很小，使环模的使用寿命大大提高。真空淬火对环模模孔粗糙度的基本没有影响。在相同的装载量情况下，增加回填气体压强能明显提高环模的冷却速度和硬度。充填1.6bar压强的气体，与充填1.3bar压强的气体相比，快速冷却缩短23%。硬度提高2～3HRC。回填气体压力越大，冷却速度越快，环模的变形率越大。综合考虑，选用1.6bar回填气体压强比较合适。环模热处理后尺寸变化多数回缩，在回填左气体压力不大、冷却速度较慢的情况下，尺寸变化也有可能是涨式。
有限元分析中以UG、ANSYS作为仿真环境，针对环模寿命问题，分析环模在均匀载荷与非均匀载荷时的应力与应力强度分别情况，提出合胖的方案以解决环横的不均匀磨损。
本课题最终形成了真空淬火热处理标准工艺及形成环模的验收标准。对于环模的使用厂家和设计者都有很好的应用价值和参考价值，对于环模的研究方法是一次突破和有意义的尝试。
关键词：环模：颗粒机；有限元：参数优化
第一章 绪论
1.1饲料加工关键技术现状
饲料工业是国民经济的基础产业，在实现我国新世纪的目标中具有重要的位置。饲料业是我国农业中工业化程度最高的产业，它处在“种植业——饲料业——养殖业”产业链条的中间环节，既受前后端的双重压力，同时又影响甚至决定它们的发展。我国饲料工业经过多年的发展，取得了令人瞩目的成绩，2007年我圈饲料总产量超亿吨，饲料产量占世界总量的1／8，已连续多年居世界第二位，且每年还以10%以上的速度增长。到2010年，配合饲料双班生产能力要达到1.4亿吨。根据我国国民经济发展的规划，全国饲料工业必须有大的发展，
掘介绍，2008年虽然受到年初冰冻雨雪灾害、三聚氰胺事件等影响，但我国饲料行业发展总体平稳。掘中国饲料工业协会信息中心预测，2008年我国饲料总产量有望再上千力．吨级台阶，商业饲料总产量将超过1.3亿吨，同比增幅超过5%。
目前我国饲料加工中粉碎、混合、制粒、膨化这几个关键技术的现状及进展如下：
1.1.1粉碎技术
饲料原料经粉碎后粒度减小，适度的粉碎能提高动物的消化吸收率，这主要是因为粉碎物料与消化酶作用表面增大。粉碎是饲料加工生产线中能耗最大的工段，粉碎技术研究的重点是降低能耗，控制粉碎粒度分布的均匀性，降低噪声，提高锤片使用寿命。目前我国质量较好的锤片，粗粉碎可达40吨／片，微粉碎可达20吨／片。国外高质量的锤片，羊且粉碎（筛片孔径3.0，原料玉米）时，其使用寿命为60～65吨／片，微粉碎（筛片孔径1.0，鱼料），其使用寿命为30～35吨／片。国外就粉碎粒度对动物消化吸收性能的影响进行过研究，结果表明，在生猪口粮中的玉米粉平均粒度在0.4～1.2mm之间时，平均粒度每减少0.1mm，饲料效率改善1.3%。研究了粉碎粒度对产量及能耗的影响，发现粉碎粒度由1.0mm减少到0.6mm时能耗略有增加，在粉碎粒度再减少到0.4mm时，所需的动力将2倍于粉碎至0. 6mm时的能耗。
锤片粉碎机未来发展主要是一下三个方面：
(1)提高产品的使用寿命（主要是易损件），降低客户的使用成本。
(2)增加粉碎机的自动化程度，包括监控，操作等方面。采用自动控制（负荷自动控制）的喂料系统系统。提高客户操作方面的简便性和操作的可靠性。
(3)提高产品的稳定性和可靠性，饲料厂越来越重视产品的稳定性和可靠性带来的长期效益和其带来的成本。
1.1.2混合技术
混合是饲料加工中的关键技术环节之一，它决定着各种营养组分在饲料中的分布均匀性，混合不均匀将使动物对某些营养组分过分摄入或摄取不足，从而导致营养不良。混合机是饲料加工，'的天键设备之一，配料混合系统是饲料厂的重要工段，其中混合机的性能好坏与使用效果，直接影响生产率和产品质量。近十年来，随着饲料添加剂工业和成套饲料加工设备的发展，对混合机的要求越来越高。一般说来，要求混合精度高、混合速度快、能耗低、粉尘密封性好、装载系数大、出料干净、噪音小、操作容易、运转平稳、清洗维修方便、使用寿命长，对不同物性混台料有较好的适应性，棍合后的制剂不产生离析分层现象，对某些混合料还要求不产生混合过热等。
目前，应用最广泛的混合机主要为双轴桨叶式混合机，这种机型山两个旋转方向相反的转子细成，转了L焊有多个特殊角度的桨叶，桨叶带动物料一方面沿着机槽内擘逆时针旋转；一方面带动物料左右翻动：在两转子的交叉重叠处，形成了一个失重区，在此区域内，不论物料的形状、大小和密度如何，都能使物料上浮，处于瞬问失重状态，以此使物料在机槽内形成全方位连续循环翻动，相互交错剪切，从而达到快速柔和混合均匀。
双层桨混合机，性能达到国际领先水平。
其产品主要特点为：
1)混合不产生偏析。对被混合物料适用范围』“，尤其对密度、粒度等物性差异较大的物料混合时不产生偏析，得到高精度混合物。
2)转子采用双层桨叶结构，混合周期短、混合均匀度高：一般物料在45S—60S时问内混合均匀度cv可达2%～3%。减少了混合时间，大大提高了生产效率；
3)装填量可变范围大：装填系数可变范围为0.1～0.8，适用于多行业中不同比重、粒度等物料的混合；
4)轴端采用独特的密封技术，密封可靠、无泄漏，使用寿命长；
5)出料快、贱留量很小：底部采用了全长双丌门结构，排料迅速、钱留很少；
6)出料门密封机构采气囊密封专利技术，弥补门体变形的缺陷，密封可靠无泄漏；
7)采用可升降式液体添加装置，清理、更换喷嘴方便、快捷，喷雾均匀不起团。
饲料产品的混合均匀度是反映饲料质量的一项重要指标，也是评价混合机混合性能的个主要参数。配料饲料工段系统是整个饲料厂的重要工段，其中混合机的性能好坏与使用效果，直接影响生产率和产品质量。因此只有合理的使用混合机，才能最大限度的发挥混台机的性能，以达到饲料产品的最佳化。
1.1.3挤压膨化技术
随着我国经济的发展，各饲料厂的产品也越来越多样化，为了节约成本、提高效率和产量，因此需要能加工多种物料的大功率膨化设备。而目前颗粒机的产量比教大，所以大型原料处理膨化设备是饲料加工过程中不可缺少的主要设备之一。膨化工段能耗高，要求产量大，因此膨化机都配有较人功率的电机，膨化机的性能指标和可靠性对饲料加工厂的正常生产、成本和经济效益产生很大影响。
1.1.4制粒技术 颗粒饲料明显具有好的适口性、高的效益，目前，全球一半以上的饲料采用制粒生产。颗粒机很大程度上决定了饲料加工的产量，在饲料生产中占有很重要的地位。制粒就是将粉体或液体原料，通过机械或化学的方法，将其聚合成形过程的统称。在饲料工业中，将粉状饲料原料或粉状饲料经过水、热调制并通过机械压缩且强制通过模孔而聚合成型的过程定义为制粒。
颗粒饲料制粒设备及工艺配套设备，主要由颗粒机、调质器、熟化器、干燥器、冷却器、粉碎机、分级筛和料仓活化装置等组成。根据畜禽、水产及特种水产饲料加工要求不同而进行配置。
自1910年英国Sizer公司研制出第一台商品挤压式颗粒机至今，颗粒机的制造技术和成形理论得到了飞速发展，使用颗粒机生产颗粒饲料已得到普及。目前常用的颗粒压制机有环模颗粒机和平模颗粒机两种基本类型；根据运动特性又可分为动模式和动辊式：根据其环模和压辊、平模和压辊的组合形式又可分为：三辊、二辊，大、小压辊和双环模式环模颗粒机，平模直辊和锥辊式颗粒机。其他类型的颗粒机有：对辊式颗粒机（类似煤球机）、“体勒”颗粒机（颗粒从空心对辊内排出）、盘式微粒机（无加压机构，利用液体媒介作用，粒子自行凝集）、螺杆式颗粒机、活塞式颗粒机等，但使用不够广泛。
饲料加工厂广泛使用的是环模颗粒机。在饲料加工过程中制粒的费用高，耗能多，维修勤，是饲料厂花钱最多的工序。因此，各生产厂商对颗粒机的性能更为重视，并不断对其进行改进提高。
1.2环模颗粒机研究进展
1.2.1系统组成
环模颗粒机主要由喂料器、调质器、颗粒制造器、调节机构及润滑系统组成。
喂料器由电磁调速电机、减速器、联轴器、绞龙轴及绞龙壳体等绢成。凋速电机是由变频电机和减速器组成，它与变频器配合使用，通过变频器控制凋速电机，可改变其输出转速。喂料绞龙由绞龙壳体、绞龙轴和带座轴承等组成，由可调速电机通过联轴器带动绞龙轴。
调质器山电机、传动机构、调质转子和壳体、加蒸汽口等部分组成。其功能是注入蒸汽，将配合粉料调质到一定的温度和湿度后送入制粒窒制粒。调质器壳体由不锈钢制成。调质器的供蒸汽系统如下图所示。
颗粒制造器主要由主电机、传动机构、转予、环模、压辊、刮刀、切刀组件及机身和门等组成。经调质器调质的物料，由旋转喂料锥和前板上两个偏转刮刀将料均匀地送入两个压辊与环模组成的压制区，通过环模和压辊两个相对旋转件对粉料逐渐挤压而挤入环模中成型，并不断向外端挤出，由切刀把成型颗粒切成需要的长度，最后成型颗粒排出机外。
1.2.2环模颗粒机主要制造厂家
国外著名的颗粒机生产厂家主要有月·麦MATADOR公司、美国CPM公司和BLISS公司、瑞士BUHIJF,R公司、意大利LAMECCANICA公司、荷兰VAN AARSF.N、德国Munch和KAHL公司等；国内生产颗粒机生产厂家，主要有大型的生产厂家不多，在这里我做个小广告，三门峡富通新能源生产颗粒机、饲料颗粒机、秸秆压块机、木屑颗粒机还是可以的。
丹麦MATADOR公司颗粒机商品规格齐全，环模从小到大，内径从300mm到llOOmm，功率从30KW到560KW，机型有三角带传动、同步齿形带传动和齿轮传动三种，主要生产畜禽料、牛羊料及高纤维饲料等。MATADOR公司在世界上影响较广，具有很强的竞争力。
美国CPM公司是一个老牌公司，公司主要生产齿轮传动的颗粒机，虽然其在产品创新方面比较缓慢，但其根深底子厚，品牌影响力广，其产品仍具有很强的竞争力，尤其在畜禽料生产方面具有一定优势，拥有一批忠实客户。
瑞士BUHL,FR公司创新能力很强，品牌影响力也较深和较广，其设计理念比较超前。虽然其产品的一些功能并没有得到实际应用，但其产品给人的感觉总是耳目一新，引领潮流。
开发生产的颗粒机和国际上的先进技术相结合，并进行自主开发和改进，形成了目前系列化的颗粒机产品，既有V形带传动型的，又有同步齿形带传动型的；既有三压辊的，又有两压辊的；既有生产畜禽料的，又有专门生产水产料的；既有普通型的，又有自动型。产品齐全、整体技术先进，在水产饲料生产中具有领先优势，可满足不同类型和档次的客户需要，在国内市场和国外市场都具有较强的竞争力。
1.2.3发展趋势
就目前颗粒机最新市场的发展趋势来看，存在如下发展趋势：
1)随着饲料厂向集团化、规模化方向发展，颗粒机向中大型方向发展，小型颗粒机逐渐淡出市场。
2)对颗粒机的易操作性、人性化、自动化程度的要求越来越高。
3)对颗粒机的性能要求越来越高，如吨料电耗、颗粒质量等。
因此，要发展颗粒饲料，大型、高产、节能、自动化程度高的颗粒机具有更广阔的市场。
1.3环模研究进展
环模是颗粒机的关键零件，是颗粒机的最主要易损件，价格不菲。其质量的好环和质量是否稳定，直接影响环模的使用寿命和颗粒饲料压制机的产量、饲料的质量，从而影响饲料加]：的生产成本。颗粒机环模为一多孔环形零件，工作条件恶劣，在使用过程中长期承受压辊的挤压力和物料的摩擦力，使之产尘弯曲应力和接触压应力。同时，工作时温度较高。环模失效的主要形式是模孔及环模内环表已磨损报废，也有少量环模开裂和模孔堵塞（即压不出料）。环模的使用寿命主要与环模材料、环模的加工工艺有关；对同一环模材料和同一加工工艺，环模的使用寿命还与饲料配方、饲料生产工艺参数、工艺操作等有关。环模初试压是否顺利出料主要与环模模孔表面粗糙度有关。
根据统计，环模损耗费占整个生产车间维修费的25%以上，同时对挤压出来的颗粒饲料质量有着直接的影响。它对提高产品品质和产量，降低能耗（制粒能耗占整个车间总能耗30%-35%），减少生产成本（环模损耗一项费用占整个生产车间的维修费25% -30%以上）等方面影响极大。一般玉米为主的饲料生产中约占到卜1.5元／吨左右，在秸杆木屑等纤维状物料的生产中约占到18-48元／吨料：同时也是颗粒机最易磨损的零件之一。国外合理的环模加工量为1. 5-2.O力．t，我国目前为5 000-8000 t。2006年我国年产饲料约1.02亿吨，按70%颗粒料计算，一个环模生产7000吨，约需11200只环模，据中国饲料工业协会预测，2008年的饲料生产量可达1.36亿吨，大约需13000只环模，市场需求非常广阔。三门峡富通新能源业销售颗粒机环模。
国外生产环模的Sprout公司（原UMT）、意大利La Meccanica、美国Jacobs、泰国Triumph等。
决定环模使用性能和寿命的几个因素：
a．耐磨性：多数环模的损坏是由于磨耗。环模会因使用而引起表面磨损和模孔增大. 颗粒机环模的耐磨性随它的表面硬度、显微结构和化学成分而变化。要使环模得到最佳的耐磨性，关键在于材料的选择和热处理的方法。
b．耐腐蚀性：有些饲料成分和添加剂在高温、高压下会引起点蚀，从而腐蚀环模材料。
因此，腐蚀是影响环模性能的最关键的影响因素，必须加以控制。高铬、高碳的环模具有最好的耐腐蚀性。
c.韧性：在制粒过程中坏模承受很大的压力，这种压力能引起环模的即时损坏；超过工作时问也会造成环模的疲劳损伤。冈此，环模材料的选择、热处理的方法和模孔的多少都是决定环模韧性的重要因素。
1.3.1环模材料
(1)环模材料的特性
a．耐磨性与韧性：提高环模硬度（假定会属结构固定不变）能增强耐磨性，但会降低环模的韧性。换言之，用提高环模硬度的方法来改进耐磨性，会增加脆性、降低韧性。因此必须将环模的硬度限制在能保持使用所需最低限度的结构水平下。
b．耐腐蚀性与耐磨性和韧性：环模的会属结构差和耐腐蚀材料的化学成分不佳会降低耐磨性，坏模的冲击韧性也比较筹，较容易开裂。
c．韧性与孔数：如果使用一种质最较差的环模材料而想通过增加孔数来提高制粒产
量，是很难达到的。增加孔数很可能导致环模的丌裂。环模材料（在热处理的同时）具有不同强度和不同韧性的特点。有些材料的孔数要少一点才能保持最低程度的韧性和结构强度。
(2)环模模材料的选用
环模的主要失效形式是磨损和断裂，因而要求环模成品既要表面硬度高，又要有一定的韧性。同时，由于某些饲料和添加剂在高温、高压下对环模有腐蚀作用，又要求环模材料具有耐腐蚀性。几个因素相互制约。如果提高了环模表面硬度，虽提高了环模的耐磨性，却使环模的脆性增加，降低了环模的抗断能力：耐腐蚀性较好的材料，其会相组织和化学成分会使材料的耐磨性和冲击韧性降低。所以在选择环模材料时，应综合考虑，使坏模的综合性能最好。
对于环模的特性怎样才算优质以及与选材之间的关系如何，很难下一个完整的定义。圈内环模材料主要有碳素结构钢、合会结构钢和不锈钢三类。上述三大类材料有很多品种，它们的物理性质和化学性质又各不相同。每一类材料在制造过程中又都能通过特殊的热处理方法改变其性质的。
国外环模材料一般使用优质合金钢和不锈钢，其中优质合会钢主要选用低合金渗碳钢，如18N iCrMoo，20CrN iMo，820V1 17(相似于我国17CrN 12Mo)等Cr-N i系钢。这是由于Cr-I j系钢淬透性好，并和强度、韧性有较好的配合，心部淬火后硬度一般为20～48HRC，表面淬火后硬度达60HRC以上，基本能满足环模既要表面耐磨，又要求心部强度高的特殊要求。不锈钢环模国外一般采用X40Cr13(相似于我国的4Cr13)。
国内环模材料主要有碳素结构钢、合会结构钢和不锈钢三类。碳素结构钢如45钢，其热处理硬度一般为45～50HRC。它属于比较低档的环模材料，其酣磨性和耐腐蚀性都较差，现基本被淘汰。合金结构钢，如20CrVnTi、40Cr、30CrMo等，热处理硬度在50HRC以上，并具有良好的综合力学性能。由此类材料制造的环模强度高，耐磨性也好，但缺点是耐腐蚀性不好，特别用在鱼饲料、万寿菊颗粒、木屑颗粒、秸杆颗粒等的吨料环模价格比不锈钢高得多，现也逐步淘汰。不锈钢材料有X46Cr13（德国牌号）、4Cr13、3Cr13等，这些材料的刚度和韧性都较好，热处理硬度大T50HRC．并具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，使用寿命较长，吨料环模费用最低。三门峡富通新能源出售饲料颗粒机、木屑颗粒机、秸秆颗粒机环模。
1.3.2环模的工作面积、孔结构、厚度和开孔率
环模工作面积指环模的内径周长和有效宽度的乘积，有效宽度指环模两越程槽之间的距离。在同样的工作面积下，坏模内径和有效宽度成反比。在低产量的水产饲料制粒，为保证环模轴向出料均匀，减小环模有效宽度，则增大环模直径D。
颗粒料是从环模上的小孔挤出，模孔的轴线一般都是指向环模的轴线。
环模的孔形和厚度对制粒的质量和效率有着密切的关系。选择环模的孔径太小、厚度太厚，则生产效率低下、成本费用高，反之则颗粒松散、影响质量和制粒效果。因此科学地选用环模的孔形和厚度等参数是高效、优质生产的前提。
环模示意图见下图。
环模的孔形：目前常用的模孔形状主要有直形孔、反向阶梯孔、外锥形扩孔和正向带锥形过渡阶梯孔4种。直形孔加工简单，使用最为普遍：反向阶梯孔和外锥形扩孔减小，模孔的有效长度，缩短了物料存模孔中的挤压时间，适宜于加工直径小于Ø10mm的颗粒；正向带锥形过渡阶梯孔适宜于加工直径大于Ø10mm的粗纤维含量高、体积质量低的颗粒饲料。除了上述4种孔形以外，还有外锥形孔和内锥形孔、非圆形孔等多种孔形，但使用不普遍。直形孔适于配合饲料的制粒：外孔扩大适用于脱脂糠等高纤维饲料的制粒；内孔扩大适合于牧草粉类体积大的饲料制粒。
进料孔口直径应大于模孔直径，这样可减少物料的入孔阻力，以利于它们进入模孔。进料孔有3种基本形式，即直孔、锥孔和曲线形孔。前苏联学长的研究结果表明进料孔形中以曲线形孔最优，其次是锥孔，直孔最差。不过，曲线孔需要专用工具加工，尤其是在孔径较大时加工较为困难。为此，美国CPM公司将小孔（孔径小于lOmm）环模的模孔进料孔采用曲线孔形，而大孔（孔径大于10mm）环模的模孔进料孔不采用曲线孔形，而是采用锥孔、直孔或与锥孔组合形式。锥孔生产小孔颗粒时，进口锥角b =30。。对于大孔径，难以压制的纤维性轻质原料，常用正向带锥形过渡阶梯孔，直径为d>10mm、I=1～2d，Ø=30。～45。。实现大孔预压、小孔成形挤压的过程，确保制粒的质量。
减压孔的深度和直径(R、E)：对于纤维含量高的原料，由于它所具有的制粒特性的差异，要求在压粒的过程中减少通过模孔的阻力，即要求在额定受压后减压成型藉以降低回弹率。为此，模孔应设计成两区段，进料挤压区段L和减压出料区段R，即L+R=T。减压出料孔有三种基本形式：直孔、锥孔和锥孔与直孔的组合，其中直孔和锥孔最为常用，它的最大孔径稍大于模孔直径d，其深度取决于相应的有效工作长度L。在有些情况下，尤其是当加工料出现在深减压孔内会膨胀而堵塞，或者当减压孔使环模的强度降低时，宜采用锥孔与直孔的过渡组合方式，或者采用锥孔。
模孔的排布方式也是环模设计里面一个很重要的问题。根据饲养对象的不同，颗粒料的大小也不同，但是一旦饲养对象确定后，颗粒料的大小也就基本确定料，模孔的大小也就可以确定下来。通常模孔的排布方式有两种，一种是排成比较整齐的阵列，一种是错位排布，如图1-6所示。为了使物料能够比较好地进入模孔，模孔的排布方式一般是进行错位排列，通常按等边三角形布孔，也有按等腰三角形布孔。
环模工作面的丌孔率是环模的一项重要指标。它是工作面（内壁）模孔总面积除以坏模工作总面积。丌孔率的大小对颗粒机的生产率有很大影响．在考虑压摸有足够强度的条件下，尽量提高丌孔率。环模钻孔时的排列方式一般沿周向排列，并在宽度方向上排与排之问的小孔相互交错，使整个钻出的小孔呈近似等边角形排列。如果设小孔的直径为d，小孔与小孔之间的壁厚为a，环模开孔率则为v=0.9*(d／a)2=0.9*（d／（d十t））2。
开孔率越高，则出料多。另一方面，模孔间壁厚t越大，则环模强度越大，开孔率越小。所以要选择合适的壁厚t来保证环模强度和开孔率。从上面的公式可以看出，一般的规律是，模孔直径越大，环模丌孔率越高。丌孔率越高，出料越通畅，但模孔壁厚L减小了，环模强度减小。所以一定要根据强度确定开孔率大小，挤压力大的草料、秸杆料、木屑等物料环模的开孔率要比饲料环模小一点，保证环模强度，防止环模丌裂。
模孔的有效长度(L)：模孔的有效长度是指物料挤压（成形）的孔模长度。模孔的有效长度越长，物料在模孔内的挤压时间越长，制成后的颗粒越，坚硬，强度越好，颗粒质量也越好。反之，则颗粒松散，粉化率高，颗粒质量降低。
环模的厚度(T)：综合考虑模孔的有效长度、减压孔的深度以及环模的强度来确定。环模厚度和孔径以及被压物料特性有关，环模越厚、模孔越深、孔径越小，则孔壁阻力越大，物科挤压越坚实。压制不同饲料，不光按孔径来选用环模，还需要选用相应的最佳环模厚度，刘选用最佳深（厚）径比，以便获得优质颗粒饲料，还不堵塞模孔。国际上通常选用环模的厚度(T)为32～127mm。
压缩比(L／d)：模孔的有效工作长度L与其孔径d之比，称之为长径比。压制不同的物料，需要采用相应的最佳长径比，藉以压制成密实的颗粒制品。例如，压制玉米粉所需的长径比一般为12，压制苜蓿草所需的长径比为8。使用长径比这个参数能够反映加工料对其环模结构参数的相应要求。所以，不同粒径的颗粒只要选用长径比合适的环模，能生产出相同质量的产品和高的生产效率。不同类型饲料的适宜模孔直径和压缩缩比见下表。
 1.3.3环模线速度
设计环模转速时要考虑四个问题：①制粒产量：它与转速没有正反比关系，存在最佳转速范围对应最佳产量；②颗粒成形率，太高转速容易把压制出来的颗粒甩碎，降低成形率，即等于产量下降；③不同饲料配方对应不同转速，以压制高品质饲料；④环模内径尺寸，环模运转过程中产生离心力，转速太高，离心力就越大，影响颗粒机稳定性。综合上面因素和结合世界制造颗粒机的经验，环模的转速应由环模内径线速度确定。
根据经验，模孔直径小的环模，应采用较高的线速，而模孑L直径大的环模则应采用较低的线速。环模的线速，会影响制粒效率、能耗及颗粒的坚实度。在一定范围内，环模的线速提高，产量增大、能耗提高，颗粒的硬度和粉化率指数上升。一般认为，模孔直径为3.2～6.4mm时，环模的最高线速可达到10m/s;模孔直径为16～19mm时，环模的最高线速应限制存6.1～6.6m/s。而在实际应用中，国内外厂商选用的环模线速均在3.5～8.5m/s。而一机多用的情况下仅使用一种线速度，是不能适应不同种类饲料加工的要求的。比较普遍的现象是，大型颗粒机生产小孔径颗粒饲料时质量不如小型颗粒机效果好，尤其是在生产直径3mm下的畜禽饲料和水产饲料时特别明显。环模的线速过低和爪辊直径过人是主要因素，这些因素会造成压制物料穿孔速度过快，从而影响硬度和粉化率指数。最理想的解决办法是采用无极调速。由于位置投资成本的限制，也不太现实。CPM等多家公司采用可调双速传动，以适应不同孔径和原料的加工需要，获取最佳的生产效果，提高颗粒机的通用性。国外还有多家公司采用同一种机型配置2～3种不同的环模线速，供客户选择，以适应不同的专业生产要求。
1.3.4环模安装方式
环模安装方式主要有直面式安装、锥面式安装和抱箍式安装。直面式安装简单，坏模不易倾斜．但环模固定螺栓容易剪断，不适用于大型号的颗粒机．锥面式安装环模定心性能好，传递扭矩大，环模固定螺栓不易剪断，但需要装配者细心和掌握一定的技巧，不然环模易装斜。抱箍式安装比较适用于小型号的颗粒机，安装方便，需时短，缺点是环模本身不对称，不能掉面使用。
目现市场上环模安装方式主要有：螺栓联接安装、锥面联接安装和抱箍联接安装。
螺栓联接安装方式简单，环模不易倾斜，但同心度不好及环模螺栓孔和空轴传动轮上的螺栓孔位置度不相配时，安装后可能单只螺栓受力时，螺栓容易断，选用环模时要求供应商保证螺孔的位置度，并且要求用转模钻孔。
锥面联接安装的环模定心性能好，传递扭矩大，环模固定螺栓不易剪断，但使用中螺栓松动，传动轮上的锥面磨损后，必须通知供应商环模上的锥面的大小头直径都放大一点，环模制作不能标准化。
抱箍联接安装具有锥面联接的定心性能好，传递扭矩大等优良性能，是一种轴向锥面联接方式；环模使用中挤压力大，抱箍型联接是对环模很好的加强，但整体抱箍在热处理时抱箍根部应力大，环模容易丌裂。改成热压镶箍工艺后，热处理时环模内应力小．热处理后环模热压加箍，环模内生产预压应力，和压辊对环模的挤压应力相抵消。箍材料为碳钢，可降低不锈钢材料成本。是一种较好的联接方式。
1.3.5环模直径与制粒生产效率和品质的关系
(1)环模内径D和压带宽b
根据单位功率面积理论推导，环模内径D应在一最佳范围内，由单位功率面积A计算式得：
A=πDb/P
在相同环模面积的情况下，宽度过小使坏模直径相应增大，从而主机整体体积都增加，造成不必要的浪费；宽度过大使物料落入环模后，不能达到稚料均匀，至使坏模和压辊在使用的过程中磨损不均匀，寿命减少。所以选择合理的环模宽度和直径，既是保
证压制机产量的关键，也是提高易损件和整机寿命的关键。经研究试验，～般，b与D的关系为：
b= (0.2 - 0.3)D=KD
(2)环模直径与制粒能耗的关系
大直径环模颗粒机由于增加了环模的有效工作面积和压辊的挤压作用，可提高饲料的生产效率，降低磨损费用和操作成本，使物料能均匀地通过制粒工序，避免过度挤压，提高颗粒的质量。从不同环模直径与电耗的关系见下图。从图中可以看出，在相同调质温度和耐久性指标下，使用小直径的环模和大直径环模相比电耗有明显的差异。因此，使用人直径环模足降低制粒能耗的一项有效措施。
(3)不同规模颗粒机质量、产量、能耗、成本之间的关系系
颗粒机的规模大小，决定了环模的直径大小。2台环模直径相差500mm、压辊直径相差80mm的颗粒机，在质量基本稳定的前提下，大直径环模、压辊颗粒机，产量提高65%，能耗低15%。颗粒压制的规模越大，相关成本越低。
(4)环模的直径与使用寿命和成本之问的关系
环模的直径与使用寿命成线性关系，环模的直径越大，环模的使用寿命越长。从而可以降低环模和厂K辊的磨损费用。环模直径900mm与520mm相比，生产每吨饲料可减少环模和压辊成本50%，
1.4课题研究的依据和研究内容
我国是饲料牛产的大国，饲料产量占世界总量的1/8，已连续多年居世界第二位，每年还以lO%以上的速度增长。我国饲料总产量的70%以上为颗粒饲料。环模颗粒机足颗粒饲料加工的重要设备，广泛应用于畜牧业家禽养殖业渔业等饲料加工。环模是颗粒机的关键零件，同时也是最主要易损件。根据统计，环模损耗费占整个生产车问维修费的25%以上，同时对挤压出来的颗粒饲料质量有着直接的影响。其使用寿命和质量的优劣卣接影响到颗粒饲料的生产成本和质量。
国内进行饲料加工设备研究和生产的企业也是发展很快。国内对于环模颗粒机的研究从各个方面各个层次展丌，对于影响环模颗粒机制粒质量、生产率的环模和压辊使用寿命等进行了卓有成效的研究。研究资料表明，国内的颗粒机与国外相比而言，还有相当的技术上的差距。
本课题以颗粒饲料加工关键设备环模颗粒机的关键零件环模为研究对象，对环模的材料、热处理工艺和模孔冷加工工艺进行研究。为了实现对环模的评价，本课题研究过程中，做了大量的试验，采用试验设计的优化方法和有限元分析方法相结合的研究方法。在试验设计中，采用正交试验的方法，分析环模的材质、热处理工艺和冷加工工艺等试验因素对环模质量的影响。模孔冷加工工艺主要研究坏模钻模孔程序及对粗糙度的影响。环模热处理工艺主要研究真空炉淬火温度对环模硬度的影响、回火温度对坏模硬度的影响、真空淬火对环模模孔粗糙度的影响以及真空淬火、回火对环模尺寸的影响。有限元分析中以UG、ANSYS作为仿真环境，针对环模使用寿命的问题，分析环模在均匀载荷与非均匀载荷时的应力与应力强度分别情况，提出合理的方案以解决环模的不均匀磨损。本课题最终形成了真空淬火热处理标准工艺及环模模孔枪钻冷加工标准工艺，形成环模的验收标准。 第二章试验材料与方法
2.1试验材料
40Cr颗粒机环模材料
4Cr13环模材料
2.2主要仪器与设备
HN-3H型红外碳硫分析仪 无锡英之诚高速分析仪器有限公司
TH160硬度计 北京时代集团公司
金相显微镜 中国上海仪器厂
游标卡尺(0. 02mm) 量程：0-300 成都成量工具集团有限公司
西分表头(0.01mm) 量程：0-5 桂林安一量具有限公司
DCK显微数码照装置 北京市永十机电技术公司
CTS-3000超声波探伤仪 上海丰君仪器仪表有限公司
WE-30型液压万能材料试验机（100N/格）南京利林机电设备有限公司
CA6140车床 沈阳第一机床厂
Z3050×16/1型摇臂钻床 沈阳第一机床厂
表面粗糙度比较样块 南京高辉精密样板工具厂
HMCK.J01环模沉孔机 自制
HMD.J02环模倒角机 自制
TLM枪钻 德国IXION公司
WARWICK立式真空淬火炉6.OVVPT 美国SECO公司
真空炉水系统 美国SECO公司
水系统冷冻机 美国SECO公司
5立方米氮气储罐 美国SECO公司
1500*1500*1600-90回火炉 美国SECO公司
oxoi-o环模清洗机 自制
环模烘干机 自制
2.3试验方法
2.3.1典型环模材料的加工工艺
对于同一环模材料，不同的加工工艺将直接影响环模的质量及质量稳定性，因此，制定合理的环模加工工艺非常重要，是提高其使用寿命和稳定质量的关键。环模因其结构，一般由锻造专业厂家提供环模锻打毛坯。一个合理的环模加工工艺主要包括锻造、粗车、精车、钻扩孔、磨内孔及在机加工工序间安排适当的热处理工艺。
①40Cr环模材料加工工艺
方案1：开料→锻造→粗车→正火→精车→调质→精车（端面）→钻（扩）孔→渗氮→磨→试压→涂防锈油→检验入库
方案2：开料→锻造→正火→粗车→调质→精车→钻（扩）孔→淬火→磨→除氧化层→试压→（磷钝化）→试压→涂防锈油→检验入库
②4Cr13环模材料加工工艺
开料→锻造→粗车→法兰孔→钻孔→倒角→沉孔→清洗→淬火→精磨
高碳高铬不锈钢经锻造、数控车铣、数控枪钻、倒角、沉孔及真空热处理等工序加工成环模。
2.3.2环模模坯锻造方法
环模模坯采用锻打工艺，环模制造商进行锻造。采用合适的加热温度和时间，保证加热过程中的温度均匀性，锻后控制冷却温度和速度。
材质4Cr13颗粒机环模，环模的锻造工艺是：圆锭经锯床切割成环模坯料，坯料锻造加热入炉温度为700℃下，预热3～5 h，缓慢加热3～4 h，升温到1160℃保温2h后出炉锻造（始锻温度1 140℃，终锻温度900℃），往返锻造4次。终锻后立即退火，退火工艺为：缓慢升温到880℃保温5h，随炉降温到660℃后再升到860 C，保温3h后随炉冷却至500℃出炉。
材质40Cr颗粒机环模， 锻造加热温度为1160，始锻温度为1100℃，终锻温度为800℃，冷却方式为炉冷。
2.3.3环模模孔加工工艺
(1)模孔加工设备
环模模孔加工设备主要有：自动多工位钻床、单头手工钻、单头自动钻等设备。自动多工位钻床常见的有：8～12工位的立式或卧式钻床和4～8工位高速注油深孔枪钻。
手工钻分度输入误差大，高减速比的分度机构也能保证分度的精度，但钻孔速度控制不好，模孔粗糙度差：自动单头钻有高的分度精度、严格控制的钻削速度和排屑机制，模孔质量好；双头或多头自动钻，模孔质量好，生产效率高，但分度精度和孔间壁厚均匀性受设备安装精度影响大。加工MLlZL600环模模孔，模孔8000孔，四钻枪钻加工时间21小时，同等情况下，普通钻床加工时间为85～95小时左右。
普通钻床转速为6000r/min左右，模孔粗糙度为Ra3. 2～6.3μm。
本试验主要在某颗粒机集团进行，采用JXION-TLM德国生产枪钻，保证了环模模孔的位置精度及表面粗糙度，从而使环模的产量得到了有效的提高。该枪钻加工环模外径400～1200mm，环模孔径1.2～3.0mm，转速可达20000 r/min，模孔粗糙度可达Ra0.4～0.8μm
(2)计算开孔率
JXION-TLM多工位自动枪钻采用电脑排孔软件包软件模拟环模材料强度校核。
环模孔的排列方式有两种方式：
开孔率计算：
A方式排列开孔率：如果设小孔的直径为d，小孔与小孔之间的壁厚为a，环模开孔率为v，则v≈0. 9(12/(d+a)2；
B方式排列开孔率：如果设小孔的直径为d，小孔与小孔之间的壁厚为a，环模开孔率为v，则v≈0.-78d2/(d+a)2;
A方式排列丌孔率大于B方式排列丌孔率，颗粒机产量高。
(3)编制环模钻模孔程序卡
1)输入环模内径、工作宽度、模孔直径，确定钻头直径。
2) aIXION (102 104 105)编程参数计算
边距A=[环模边厚（距>+到边距离（边距C）环模外圆内端面到基准面尺寸
边距B=排间孔距
边距C一到边距离
边厚=环模的外圆内端面到基准面的尺寸
3)进给速度
在钻头_丌始前进的过程中，当大臂部分向前的时候可以用进给120mm/min的速度，
当钻头部分向前时，要选用的速度：
①当钻头前进： 进给速度-70～50mm/min
②当看不到钻头尖部： 进给速度-50～30mm/min
③当看不到整个钻头： 进给速度-30～10mm/min
④当钻套与换模间缓冲： 进给速度≤8mm/min
4)根据参数，生成环模钻模孔程序卡。
(4)输入程序加工模孔
(5)模孔沉孔
采用环模倒角机对环模模孔进行倒角，倒角后进行去毛刺处理。
(6)模孔沉角
针对制粒特性而设计的沉孔，称之为工艺沉孔：针对物料特性而设计的沉孔，称之为工作沉孔。
沉孔孔径计算：沉孔孔径中D等于模孔直径①d+0. 5mm，另外也可针对特殊的物料或客户的要求而定：
沉孔深度计算：工作沉孔深度H根据颗粒机功率、孔径及压缩比而定，也可根据客户的特殊要求而定。
采用环模沉孔机加工沉孔。
2.3.4环模热处理工艺
近年来，我国大型饲料机械生产厂家引进国外了大直径真空淬火炉，开始采用真空炉对环模进行整体淬火，这种热处理方法称为真空气淬工艺。相对于传统的整体淬火，这种真空热处理技术具有如下优点：工件变形小；热处理后的金属表面非常光洁，没有氧化、腐蚀、脱碳或增碳等现象发生。特别是环模孔的粗糙度在真空气淬后基本上不降低，这对保证颗粒饲料的产量至关重要。另外真空热处理炉用途广泛，且节能、安全可靠、无污染，易于实现自动化操作。
本试验采用SECO/WARWICK立式真空淬火炉，一次热处理工件的最大装载量lOOOkg;用作气淬冷却介质的气体为氮气。
(1)清洗、干燥
环模加工成形后，热处理前对环模采用环模清洗机进行清洗。
环模在清洗机中清洗,3～4h，清除油污、锈迹、模孔中铁屑。取出后放入环模烘干机烘干，烘干温度180℃，时间3h。
(2)装炉
待环模完全干燥后，入炉处理。环模平放在炉床中心，垂直叠放。环模与环模之问用垫块隔开。环模在真空室内放置时，相互之间要用两根长条形的金属棒隔开。一是工件在真空室内的受热方式主要是辐射换热，因此相互之间尽量不要遮挡，环模不应直接叠放在一起。二是通过会属棒的接触使环模之间相互牵制，可减少其在热处理过程中变形。同时可保证环模热处理后的硬度均匀性。
(3)加热
设置一定的真空度下，将置于密闭真空炉内的环模加热到奥氏体化温度以上，保温后，使Cr合物溶于组织中。
(4)保持均温
保持均温的时间长短可按式计算：T=ah。
式中，h是工件的有效厚度。对于大部分环模，其值应在40～100mm的范围内。a是保温系数。对于1040℃左右的加热温度，其值为0.5 min／mm（环模壁厚），保温时间设定为45～50 min。
在加热周期中，环模在650℃和850℃两处分别经历了持续时间45min的预热均温阶段。原因有两个，一是高铬不锈钢的导热率比普通碳钢要低，因此环模的外表而与内部中心的温差比较大，为消除由此产生的热应力，有必要保温一段时问以尽量减小温差。二是由于在升温过程中，环模的实际温度要低于真空室内温度，环模尺寸越大，这种温度滞后现象越严重。因此需要保温一段时问以使得环模内部的实际温度上升，更趋近于图2-5所示的加热周期中的真空室内温度。当真空室内被加热到最高温度1040℃时，保持了50min的均温。 
淬火工艺图由加热周期、气淬周期和回火周期三部分组成。
(5)淬火
气淬周期开始后，高速、高压的氮气喷入真空室内对环模以大于临界冷却速度进行快速冷却，温度下降到大约40℃左右，以获得马氏体组织。环模保持60min的均温。其目的是减小环模各处的温差，减小热应力，另有一定量的下贝氏体形成，从而有效地防止环模的变形和丌裂。这种淬火冷却方法称为等温淬火，它是高硬度的耐磨性工件的常用淬火处理方法。
(6)回火
真空气淬工艺主要的缺点是热处理时间较长。按照上述工艺，每炉装载的环模一般需要6h左右的时间才能完成真空气淬，这要比采用盐浴炉进行整体热处理所花的时间长得多。为了提高加工效率，将回火区与淬火区分丌处理，采用专用回火炉进行回火加工。将环模从淬火炉中取出，放入回火炉回火，使工件获得良好的使用性能，以充分发挥材料的潜力。
2.4测定方法
2.4.1锻坯质量的测定方法
(1)材料成分测定
1)C和S的检测
采用HN-3H型红外碳硫分析仪，检测C和S的成分。
2) Cr的测定
称取试样0.1g，于150ml锥形瓶中，加盐硝混酸20ml，加热使试样溶解，加硫磷混酸20ml，加热至冒硫酸烟，取下冷却，移至100ml量瓶中，稀释至刻度摇匀。
吸取试液25ml两份分别置于200ml锥形瓶中，加水50ml，加硝酸银5ml，过硫酸铵1g，硫酸(1:1)10ml，煮沸3分钟，加氯化钠5ml，冷却，加N一指示剂3-4滴，用硫酸亚铁铵滴至玫瑰色消失，转为亮绿色。
(2)环模锻打质量的测定
对于4 Crl:3材料的环模锻造工艺要求为加热温度和时间合适，常见环模锻造问题是：
1)加热温度过高和时问过长，锻坯呈黄白色，估计温度超过1200℃，此时锻坯易出现表层过烧，整体过热，组织粗大晶粒不均匀现象。
2)炉温均匀性差。加热过程中因温度不均匀使锻件过热或局部过烧造成品粒粗大、锻坯的均质性差。锻件尺寸越人，这种现象就越严重。在随后的热处理工艺中难以消除这种缺陷，也是造成环模丌裂的常见原冈。
3)锻后冷却温度、速度控制不好，如果冷却速度非常缓慢，容易发生奥氏体再结晶，已经被锻造中细化的晶粒会发生异常长大造成混晶。
(3)外形尺寸
根据合同订货合同对锻坯进行尺寸检验，采用游标卡尺测量，要求尺寸精度为±1mm。
以内圆为基准，采用回转工作台和百分表检验锻坯外圆及端面跳动量控制在1.0mm之内。
(4)力学性能
硬度
锻坯的交货状态为完全退火处理状态，其组织为：铁素体基体上分布着碳化物及晶界上网状分步着碳化物颗粒。用金相显微镜作锻坯的金相分析，按锻坯批次作一次金相检验并记录。
锻坯交货硬度170～220HB;如果硬度过高，钻孔时钻头易断裂，并造成死孔，硬度过低则影响模孔的粗糙度。用硬度计按GB/T 231标准检测锻坯的硬度值，每个环模锻坯做交货硬度检验并记录。
其他力学性能
材科力学性能指标应符合下表规定。
用WE，3()型液压力．能材料试验机检查环模材料的抗拉强度和冲击韧性，每炉钢锭作一次材料力学性能检验并记录。
(5)缺陷
锻件不得有裂纹、折迭、缩孔、缩松、夹杂和其他影响使用性能的缺陷。
表面缺陷可以铲除，根据具体环模成品尺寸铲除，其铲除后的尺寸只要大于环模成品尺寸均可进行入库试车，在锻坯外圆面上标记锻坯铲除后具体尺寸的醒目标识。
采用超声波探伤仪对每个毛坯进行内部探伤，控制毛坯内部材质的均匀性，防止毛坯内部有裂纹、气孔、夹砂等缺陷。
1)在任100mm宽度的全圆周带内不允许有大于直径4当量缺陷存在，但允许中2≤d≤直径4当量缺陷弥散存在，数量不超过四个，且测长不超过20mm。
2)密集缺陷只跟踪记录，不作检验依据。
2.4.2模孔冷加工质量的测定
(1)表面粗糙度
用表面粗糙度比较样块检验模孔表面粗糙度，Ra值不大于1.6μm．
(2)尺寸精度
采用游标卡尺等量具检验环模模孔的尺寸精度不低于GB/T 1800.3中规定的IT7;圆度不低于GB/T 1182中规定的IT7;位置度不低于0.lmm。
(3)盲孔和交叉孔孔数
用目测计数法检验环模的盲孔数和交叉孔数，不允许有交叉孔。环模上每力．模孔中的盲孔数符合下表规定．
2)对倒角进行检验，倒角表面粗糙度Ra值不大于I．6μm：相邻倒角的搭边不小于0. 5mm;目测倒角表面粗糙度均匀、整齐。
模孔沉孔
采用游标卡尺检验模孔的深度和孔径。
2.4.3热处理质量的测定
(1)硬度
每个环模热处理后，用硬度计在颗粒机环模的两端面及内圆面各取至少8点测硬度值其表而硬度为52～55HRC，其各部位的硬度值之差应不大于HRC3。
(2)环模表面质量
真空气淬后的环模表面应非常光洁，面发银白色或发金黄色。
(3)模孔粗糙度
用表面粗糙度比较样块检验模孔表面粗糙度。
(4)淬火后的组织
采用会相显微镜观察淬火后的材料金相组织，环模金相组织为马氏体+碳化物+残余奥氏体。
(5)环模变形
用真空淬火，环模在热处理后具有微小的变形。采用量具检测，尺寸变化范围控制在+ 0.5～1 mm。
2.4.4环模使用寿命的测定
环模的使用寿命采用在饲料生产厂家处统计环模生产量的方法进行。 第三章试验结果与讨论
3.1颗粒机环模材料对环模质量的影响
3.1.1不同材料对环模使用寿命的影响
由于颗粒机环模成品既要表面硬度高，又要有一定的韧性。同时，由于某些饲料和添加剂在高温、高压下对环模有腐蚀作用，又要求环模材料具有耐腐蚀性，几个因素相互制约。4Cr13材料的刚度和韧性都较好，热处理硬度为52～55HRC，并具有良好的耐磨性和耐腐蚀性．使用寿命较长。经大量饲料生产厂家使用情况统计，4Cr13环模材料吨料环模费用最低，是完全适合制粒机使用场合的一种环模材料。
3.1.2 C含量及Cr含量对环模性能的影响
(1)C含量对材料硬度的影响
出图可以看出，随着碳含量的增加，环模的硬度上升。C含量≤0.42%～0.50%之问，环模锻坯硬度为170～220HB。
(2) 4Cr13材料Cr含量对环模硬度的影响
经多次试验，4Cr13材料中Cr含量从12%～14%，环模硬度基本没有变化。
(3) 4Cr13材料Cr含量对环模使用寿命的影响
由图3-2 可以看出，实际使用中含Cr量12%左右的环模使用寿命比含Cr量14%的环模在其它处理相同的条件下，其使用寿命减小1/3以上：所以环模质量的源头是从钢锭开始，要确保Cr含量12. 5%以上。
3.2锻造温度对4Cr13环模材质的影响
由上图可以看出，环模毛坯锻造时加热温度过高和时间过长，锻坯呈黄白色，温度超过1200℃，此时锻坯易出现表层过烧，整体过热，组织粗大品粒不均匀现象。加热过程中因温度不均匀使锻件过热或局部过烧造成品粒粗大、锻坯的均质性差。锻件尺寸越大，这种现象就越严重。在随后的热处理工艺中难以消除这种缺陷，也是造成环模丌裂的常见原因。
3.3冷加工工艺对环模模孔质量的影响
切削转速直接影响环模的表面粗糙度，切削转速越大，表面质量越好。采用枪钻钻环模孔时，环模孔径和转速对表面粗糙度的影响：
由图可以看出，采用枪钻加工环模模孔，模孔真径为Ø5mm时，主轴转速为3000r/min时，表面粗糙度为1.6 u m；转速为5000r/min时，表面粗糙度可达到0.8μm。
采用枪钻加工环模模孔，模孔直径为Ø1. 6mm时，转速为9000r/min时，表面粗糙度为1.6 u m；转速为13000r/min时，表面粗糙度可达到0.8 pm。
对于普通钻床，一般最高转速为3000～5000r/min，加工出的表面质量较差，加工小孔径环模时，由于粗糙度不合格，在环模的带料试验中无法出料。
3.4热处理加工工艺对环模质量的影响
3.4.1淬火温度对环模硬度和冲击韧性的影响
(1) 4Cr13材料的奥氏体化温度为1000℃左右，环模的最终加热温度（气淬温度）应比此值高一点以形成奥氏体组织。如果环模的真空气淬温度较高，则热处理后的硬度就会较高，但也极易形成淬火裂纹。而且在高温的真空环境里，高铬不锈钢内的合金元素如Cr、Mn等的蒸发量会加大，从而可能降低了坏模的力学性能。因此环模的真空气淬温度不能太高。
淬火温度对环模硬度的影响见下图。
出图可以看出4Cr13环模的淬火温度从1020℃提高到1060℃，其硬度随着加热温度的提高而上升。
淬火温度从1030。C上升到1050，硬度可提高1～1.5HRC。
(2)奥氏体化温度对冲击韧性的影响
淬火温度从1040℃上升到1060℃淬火，硬度虽然较高，但冲击韧性下降明显，热应力太大，极易产生淬火微裂纹。所以，采用1040℃淬火最为合适。
3.4.2真空淬火对环模模孔粗糙度的影响
环模孔的粗糙度在真空气淬后基本上不降低，枪钻加工后料糙度为0.8μm，经检验，热处理后的粗糙度仍然为0.8μm；枪钻加工后后粗糙度为1. 6μm，经检验，热处理后的粗糙度仍然为1.6μm。Ra值和热处理前相比，基本不降低。
3.4.3回火温度对环模硬度和冲击韧性的影响
环模的使用性能是个综合性的问题，如硬度太高，虽然耐磨性很好，但脆性很大，在使用中容易丌了。而硬度太低，由于容易使模孔形成扩孔及坏模与压辊工作面产生磨损，影响使用寿命。4Cr13环模具有高强度和高耐磨性，但也有很大的裂纹敏感性，所以淬火后的回火相当重要。
(1)回火温度对环模硬度的影响
高温回火，综合力学性能提高，但硬度比回火前下降；中温回火，硬度也较回火前稍有下降，但获得高的屈强比、弹性极限、韧性；低温回火，能保持淬火马氏体的高硬度和高耐磨性，同时降低淬火应力和脆性。
4Cr13颗粒机环模的淬火后回火温度对硬度的影响见下表。
从结果来看，180℃回火，环模硬度很高，脆性很大，极易使环模产生裂纹。300℃是回火曲线中的低谷，不宜采用。340℃回火，环模的硬度偏低，会影响其寿命。合适的回火温度应控制在200℃左右，环模的最终使用硬度在52～55HRC,左右，这样，既可以保证环模不丌裂，又可保证模孔和工作面的磨损很小，使环模的使用寿命大大提高。
(2)回火温度对环模硬度的影响
4Cr13的第一类回火脆性区的温度范围为300℃～370℃，第二类回火脆性区的温度范围为450℃～600℃。为保证环模在回火后仍能保持较高的硬度，同时又要避开回火发生脆性的温度区，环模采用200℃低温回火较合适。
3.4.4不同回填气体压强对环模冷却速度、硬度及尺寸变化的影响
(1)不同回填气体压强下，冷却温度对时间的变化曲线
由上图可以看出，在相同的装载量情况下，增加回填气体压强能明显提高环模的冷却速度。充填1.6bar压强的气体，与充填1.3bar压强的气体相比，快速冷却时间可缩短23%。
(2)不同回填气体压强对环模硬度的影响
由上图可以看出，在相同的装载量情况下，增加回填气体压强能明显提高环模的硬度。充填1.6bar压强的气体，与充填1.3bar压强的气体相比，硬度提高2～3HRC。
(3)回填气体压强对尺寸变化的影响
回填气体压力越大，冷却速度越快，环模的变形率越大。
3.4.5真空淬火对环模组织的影响
淬火前环模的金相组织为完全退火处理状态，其组织为：铁索体基体上分布着碳化物及晶界上网状分布着碳化物颗粒。
淬火后的环模金相组织为马氏体+碳化物+残余奥氏体。
(1)环模锻坯材料中的碳化物颗粒分不较均匀
(2)环模锻坯材料中的碳化物颗粒分布不均
淬火可以消除锻坯材质的部分缺陷，但对环模材料的均质性影响不大。锻坯晶粒粗大、均质性差，在淬火工艺中难以消除这种缺陷。
3.4.6热处理对环模尺寸的影响
环模热处理的变形对环模的使用影响较大。如果变形大，椭圆度增加，一方面会使环模不完全出料，影响产量；另一方面会使压辊在环模内摩擦转到时，产生不连续的跳动，对环模工作面产生冲击。环模本身具有较大的裂纹敏感性，经压辊的不断冲击、跳动，有可能产生微裂纹，并使微裂纹扩展，导致环模丌裂。用真空淬火，环模在热处理后具有微小的变形。
MUZL600颗粒机环模经多次试验结果分析：环模热处理后尺寸变化多数回缩，在回填气体压力不大、冷却速度较慢的情况下，尺寸变化也有可能是涨式。
3.5环模有限元分析
在颗粒机环模的设计工作中，传统的计算和分析方法很难精确地计算颗粒机环模各个部分的应力和变形情况，因此缺乏设计的理论依掘，只是用一些经验公式进行粗略计算。目前国内外应用有限元分析技术在机械方面进行了一些研究，取得了很好的效果，但对于环模颗粒机这类饲料机械还应用较少。本课题采用有限元分析方法对颗粒机环模进行系统的仿真试验，用有限元分析方法计算颗粒机环模的应力和变形，为颗粒机环模设计提供依据。
3. 5.1系统环境
(1) UG系统环境
UG (Unigraphics)是Unigraphics Solutions公司推出的集CAD/CAE/CAM为一体的三维设计平台，广泛的应用于各制造领域，它是一个全三维、双精度的造型系统。它以世界上具有领先地位的Parasolid为内核，在产品的概念设计、机构分析、有限元分析、装配、工程制图、数据输出等领域均有相应的功能模块，尤其是在实体造型方面功能强大。
(2) ANSYS系统环境
ANSYS是一专用的有限元分析工具，其数值模拟和分析功能强大。在工程领域有许多力学问题和场的问题，都可以看作是一定边界条件下求解微分方程，但只有在少数的简单问题能求解。因此，在20世纪60年代，有限元法逐渐展并成熟起来。ANSYS的数值模拟技术是在建立模型（数学模型和过程模型）的础上，对所模拟的客观或理论系统进行定量的研究、试验和分析，它既不是实验方法，也不是理论方法，而是在大量的试验基础上，通过基本原理构建的一套数值计算模型。
ANSYS处于有限元界的领导地位，被全球工业界广泛接受，经过大量的实例验证，在众多的工程领域都有很好的可靠性。
(3)有限元法(Finite Element Method -FEM)
在上世纪60年代术至70年代初，有限元在非牛顿流体力学中的应用得以深入发展。它是解大型非牛顿流体力学问题的数值方法中使用最广，最具有代表性的方法。有限元法的核心是根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理建立积分表达式。它将在整个积分区域中的求解函数离散为若干单元区域的连续函数，再通过单元积分，总体合成为代数方程形式的有限元方程。与有限差分法相比，有限元法适合于复杂区域和边界条件的离散，而且对每个区域的近似解是连续的。有限元法中又包含了混合有限元法、FAN方法(Flow Analysis Network)、罚有限元法、富有限元法、控制体积法、有限块法以及修正的Luo-Tanner流线有限元等。
3.5.2有限元分析模型建立及计算分析
环模和压辊之间的载荷分析对环模和压辊的结构设计具有很好的指导意义，同时通过对环模和压辊之间的载荷分析也有利于分析环模和压辊的磨损情况。首先，环模和压辊的强度和刚度计算需要知道两者之间的载荷，知道载荷后A+能确定环模的厚度、压辊的大小；再者，物料压入的多少有与载荷有关．物料压入多，环模和压辊之间的载荷大，环模和压辊的磨损也就越严重，反之，物料压入少，环模和压辊之间的载荷小，磨损少，因此环模和压辊之问的载荷与环模和压辊的磨损有关，磨损又与环模和压辊的寿命有关。
环模是比较昂贵的易损件，其使用寿命是评价环模制粒机性能的重要指标。怎样减少和改善环模的磨损，延长使用寿命，降低生产成本，是研究制粒机的核心内容。环模的寿命与环模和压辊间的载荷有密切关系；
制粒的过程是物料被卷入、压紧，最后从环模上的模孔被挤出，因此在环模圆周方向，环模与压辊的间距越大，物料压力程度越小，载荷也就越小。反之，环模与压辊的间距越小，物料压力程度越大，载荷也就越大。
(1)有限元分析模型建立
在Ansys作有限元分析过程中，建立几何环模是必不可少的一个过程，Ansys有强大的接口能力和对实体的力学分析功能。本文采取UG建立实体三维模型，通过中间软件数据转换的平台，利用Ansys的高级接口技术，实现几何模型的建立，完成数据的转换。
建立的三维模型通过IGES文件导入ANSYS软件分析界面中．
为了定性分析压辊和环模的载荷，建立环模的模型，并施加非均匀载荷，如图3～15所示。所加载荷的函数是：
F= kx
通过施加约束，并进行网格划分，得到环模的有限元模型，如图3-16所示。
(2)力学模型的建立
单元模型共8个节点．单元材料为线弹性，并且各向同性．根据广义虎克定律：
2)环模和压辊之间的载荷分析
可以看出，在这样的载荷作用下，环模外侧的位移变化比较大，这说明如果物料在环模轴线方向的均匀的话，环模里侧的磨损最大，环模外侧的磨损最小。
如果在环模轴线方向卷入的物料均匀，按理是磨损均匀，但是考虑到环模实际上是悬臂梁的结构形式，环模外侧的变形大，因此环模和压辊的间距会比没有工作时大一些，这样物料就没有里侧的物料紧一些，所以磨损小一些。按照这样的分析，环模的磨损曲线应该是如下图所示。因此物料在环模轴线方向均匀卷入的话，里侧反而磨损严重。
3.5.3环模实际磨损情况
上面的分析是基于载荷在环模轴线方向是均匀这一假设分析得到的结论，实际的载荷情况应该根据磨损的情况反过来分析。图3-20即为压辊的实际磨损照片，环模与压辊磨损曲线如图3-21。
从实际磨损情况看，沿轴向方向，环模与压辊两端的磨损明显大于中间部位，且两端的磨损基本对称（后端更长、更平滑、角度更小）。
3.5.4结论
结合受力分析及实际磨损情况，得出如下结论：
(1)沿轴向方向，物料在压辊与环模之间分布不均匀：
(2)沿轴向方向，外侧分布的物料较内侧多：
(3)沿轴向方向，中间分布的物料较两侧少；
(4)为了使磨损更均匀，可以通过控制物料的分稚来实现：
(5)相关分析需要根据实验进一步验证。
料层的分布情况直接影响环模的使用寿命，所以解决环模的不均匀磨损问题，核心是使料层均匀分布在环模的内壁上，使环模受均匀的载荷作用。通过分析，可以说明选用更加昂贵的环模材料，仅从环模的优化角度出发，或者从饲料的配方、颗粒度等方面不能解决环模的不均匀磨损问题，因此，环模的不均匀磨损只能通过饲料的均匀分布得以解决，而进一步优化环模制粒机的结构是提高环模使用寿命的根本途径。
结论
1、4Cr13是完全合适的环模材料，刚度和韧性都较好， 热处理硬度为HRC52～55，并具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，使用寿命长。Cr的增加对环模的硬度没有影响，但可以显著增强环模的耐腐蚀性。实际使用中含Cr量12%左右的环模使用寿命比含Cr量14%的环模在其它处理相同的条件下，其使用寿命减小1/3以上；所以环模质量的源头是从刚锭开始，要确保Cr含量12.5%以上。
2、模孔冷加工时切削转速直接影响环模的表面粗糙度，切削转速越大，表面质量越好。加工的模孑L孔径越小，切削转速越高。采用枪钻加工环模模孑L，模孔直径为1. 6mm时，转速为9000r/min时，表面粗糙度为1.6“m：转速为13000r/min时，表面粗糙度可达到0.8 um。对于普通钻床，一般最高转速为3000～5000rlmin，加工出的表面质量较差，加工小孔径环模时，由于粗糙度不合格，在环模的带料试验中无法出料。
3、热处理淬火温度从1030℃上升到1050℃，硬度可提高1～1.5HRC; 1060℃淬火，硬度虽然较高，但冲击韧性下降明显，热应力太大，极易产生淬火微裂纹。所以，采用1040℃淬火最为合适。
4、真空淬火对环模模孔粗糙度的基本没有影响。
5、4Cr13环模具有高强度和高耐磨性，但也有很大的裂纹敏感性，淬火后的回火相当重要。为保证环模在回火后仍能保持较高的硬度，同时又要避开回火发生脆性的温度区，环模采用200℃低温回火较合适，环模的最终使用硬度在52～05HRC左右，这样，既可以保证环模不开裂，又可保证模孔和工作面的磨损很小，使环模的使用寿命大大提高。
6、在相同的装载量情况下，增加回填气体压强能明显提高环模的冷却速度和硬度。充填L 6bar压强的气体，与充填1.3bar压强的气体相比，快速冷却缩短23%。硬度提高2～3HRC。回填气体压力越大，冷却速度越快，环模的变形率越大。7、环模热处理后尺寸变化多数回缩，在回填气体压力不大、冷却速度较慢的情况下，尺寸变化也有可能是涨式。
8、在颗粒机环模的设计工作中，传统的计算和分析方法很难精确地计算颗粒机环模各个部分的应力和变形情况，因此缺乏设计的理论依据，只是用一些经验公式进行粗略计算。本文应用有限元分析方法针对环模寿命问题，分析环模在均匀载荷与非均匀载荷时的应力与应力强度分别情况，提出合理的方案以解决环模的不均匀磨损，对于环模的研究方法是一次突破和有意义的尝试。
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