薄壁套筒鍛件拔長(zhǎng)影響因素分析

發(fā)布時(shí)間：2021-04-22 人氣：

大型薄壁長(zhǎng)套筒類(lèi)鍛件在大型自由鍛領(lǐng)域中成形難度較大，主要體現(xiàn)在芯軸拔長(zhǎng)過(guò)程中金屬沿軸向流動(dòng)阻力大，拔長(zhǎng)效率低，增加了鍛造時(shí)的加熱次數(shù)和動(dòng)能消耗。目前，公司所生產(chǎn)的薄壁長(zhǎng)套筒類(lèi)鍛件壁厚范圍一般為110-150 mm，相對(duì)壁厚t/d<0.1（其中t為管模壁厚，d為內(nèi)孔直徑)，而且t/d值越小，芯軸拔長(zhǎng)效率越低，越不利于鍛件拔長(zhǎng)。以下對(duì)影響金屬流動(dòng)的關(guān)鍵因素進(jìn)行了理論分析和仿真模擬。
模擬參數(shù)設(shè)置
利用三維仿真軟件對(duì)相關(guān)模擬參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，網(wǎng)格劃分時(shí)采用三維四面體單元，分析中采用熱機(jī)耦合的方法及剛粘塑性(簡(jiǎn)稱粘塑性)有限元理論。
根據(jù)實(shí)際工藝過(guò)程,在以下模擬分析中取有限元計(jì)算參數(shù)為：芯軸視為剛性體，壞料初始網(wǎng)格數(shù)80000個(gè)，工件選材21CrMo10，坯料始鍛溫度1180℃，坯料與輔具接觸面間摩擦因子取m=0.3。

芯軸拔長(zhǎng)成形過(guò)程分析
薄壁長(zhǎng)套筒類(lèi)鍛件進(jìn)行芯軸拔長(zhǎng)時(shí),壞料被上下砧壓縮的區(qū)域?yàn)樽冃螀^(qū)，左右兩側(cè)金屬為外端，變形區(qū)域分為A、B兩區(qū)，A區(qū)為直接受力區(qū)，B區(qū)為間接受力區(qū)，B區(qū)受力與變形主要由A區(qū)引起的。A區(qū)金屬沿軸向流動(dòng)時(shí)借助外端的作用拉著B(niǎo)區(qū)金屬一起伸長(zhǎng);而A區(qū)金屬沿切向流動(dòng)時(shí)受到外端限制，因此芯軸拔長(zhǎng)時(shí)外端金屬起著重要作用。外端對(duì)A區(qū)金屬切向流動(dòng)的限制越強(qiáng),越有利于變形區(qū)金屬的軸向伸長(zhǎng),反之則不利于變形金屬的軸向流動(dòng)。
在實(shí)際生產(chǎn)中,薄壁長(zhǎng)套筒類(lèi)鍛件集中在中小規(guī)格,壁薄,相對(duì)壁厚小,極不利于芯軸拔長(zhǎng)成形。因此，如何限制金屬切向流動(dòng)、降低金屬軸向流動(dòng)阻力顯得尤為重要。以下分別從拔長(zhǎng)壓下量、V砧夾角及拔長(zhǎng)送進(jìn)量3個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行模擬分析。
不同拔長(zhǎng)壓下量仿真分析
芯軸拔長(zhǎng)過(guò)程中,每錘采用不同壓下量對(duì)還料變形影響情況進(jìn)行了仿真模擬,每錘壓下量分別采用90、140、190 mm，每次壓下后坯料旋轉(zhuǎn)45°。
模擬分析發(fā)現(xiàn)，壓下量較小時(shí),內(nèi)孔畸變程度較小，隨著壓下量的增大，內(nèi)孔畸變程度相應(yīng)增大,內(nèi)孔出現(xiàn)折疊的趨勢(shì)愈發(fā)明顯。當(dāng)壓下量為90 mm時(shí),坯料變形量較小,內(nèi)孔幾乎沒(méi)有出現(xiàn)畸變，近似圓形;壓下量為140 mm時(shí),壞料內(nèi)孔出現(xiàn)較大畸變，但仍然呈規(guī)則形狀，近似橢圓形；壓下量為190mm時(shí),壞料變形就較大,內(nèi)孔畸變?cè)黾?呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，且局部出現(xiàn)折疊的趨勢(shì)急劇增加。
綜合模擬仿真情況并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析，壓下量較小時(shí)易于保證鍛件質(zhì)量，但不利于鍛件拔長(zhǎng)必然增加加熱次數(shù)、浪費(fèi)動(dòng)能，生產(chǎn)效率低；壓下量較大時(shí)，拔長(zhǎng)效率高，但隨著壓下量的增大，內(nèi)孔容易出現(xiàn)折傷，鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定。因此對(duì)于這類(lèi)小薄壁長(zhǎng)套筒類(lèi)鍛件成形成品階段每錘壓下量按照90-140 mm范圍內(nèi)進(jìn)行控制較為適宜。
不同V型砧夾角拔長(zhǎng)仿真分析
薄壁長(zhǎng)套筒類(lèi)鍛件拔長(zhǎng)過(guò)程中V站夾角對(duì)金屬流動(dòng)影響較為明顯，通過(guò)對(duì)不同V砧角度進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，采用較小V砧夾角時(shí)，金屬軸向流動(dòng)阻力較小,流動(dòng)速率較快,隨著夾角的增大,軸向金屬流動(dòng)速率急劇降低。采用95°夾角時(shí),V砧對(duì)坯料徑向金屬流動(dòng)限制作用較強(qiáng),流動(dòng)阻力較大，更有利于金屬的軸向流動(dòng)，***大流動(dòng)速率約為0.971 mm/s;采用115°夾角時(shí)，V砧對(duì)坯料徑向金屬流動(dòng)限制逐漸減弱，軸向金屬流動(dòng)速度慢，***大流動(dòng)速率約0.835 mm/s。
綜合上述分析,夾角較小時(shí)V砧對(duì)壞料徑向金屬流動(dòng)限制較強(qiáng),提高了金屬軸向流動(dòng)速率,但結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，過(guò)小的V砧夾角降低了工裝通用性，也不利于生產(chǎn)組織;夾角較大時(shí)金屬軸向流動(dòng)速率慢，不利于拔長(zhǎng)。因此對(duì)于中小薄壁長(zhǎng)套筒類(lèi)鍛件在工裝設(shè)計(jì)時(shí)V砧夾角按照100°-105°較為適宜。
不同拔長(zhǎng)送進(jìn)量仿真分析
拔長(zhǎng)送進(jìn)量對(duì)薄壁長(zhǎng)套筒類(lèi)金屬軸向流動(dòng)影響較大，根據(jù)實(shí)際情況分別對(duì)拔長(zhǎng)送進(jìn)量500、600、700、800、900 mm進(jìn)行模擬分析。
模擬分析發(fā)現(xiàn),采用較小送進(jìn)量時(shí)，金屬軸向流動(dòng)速率影響較為明顯，隨著送進(jìn)量的增大，金屬流動(dòng)速率逐漸減小，采用500 mm送進(jìn)量時(shí),金屬軸向流動(dòng)速度較快,由***小阻力定律可知,送進(jìn)量較小時(shí)，金屬與輔具的接觸面積相對(duì)較小,拔長(zhǎng)時(shí)對(duì)切向金屬流動(dòng)限制較強(qiáng),更利于金屬軸向流動(dòng),***大流動(dòng)速率約為0.968 mm/s:采用900mm送透量時(shí),金屬與輔具接觸面積較大,限制了金屬軸向流動(dòng)，***大流動(dòng)速率約為0.869 mm/s。

綜合上述模擬分析和實(shí)際生產(chǎn)情況,薄壁長(zhǎng)套筒類(lèi)鍛件成形成品階段拔長(zhǎng)送進(jìn)量按照550-650 mm范圍較為適宜。
生產(chǎn)試制
結(jié)合以上分析，工藝參數(shù)和工裝輔具分別選取壓下量120 mm、送進(jìn)量 600 mm、V 型砧夾角100°進(jìn)行生產(chǎn)試制，具體生產(chǎn)試制過(guò)程經(jīng)生產(chǎn)試制，采用該工藝參數(shù)和工裝輔具，鍛件拔長(zhǎng)效率大幅度提高，保證了鍛件質(zhì)量，鍛件合格率95%以上。
通過(guò)采用剛粘塑性有限元法對(duì)薄壁長(zhǎng)套筒類(lèi)鍛件拔長(zhǎng)成形進(jìn)行仿真分析，研究結(jié)果表明：
運(yùn)用模擬手段研究了壓下量、V砧夾角和送進(jìn)量對(duì)薄壁長(zhǎng)套類(lèi)鍛件拔長(zhǎng)影響規(guī)律,并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)獲得了合理的工藝參數(shù)。實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明，分析提出的工藝參數(shù)很好地解決了拔長(zhǎng)效率低的問(wèn)題。

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