薄壁套筒鍛件拔長影響因素分析

發布時間：2021-04-22 人氣：

大型薄壁長套筒類鍛件在大型自由鍛領域中成形難度較大，主要體現在芯軸拔長過程中金屬沿軸向流動阻力大，拔長效率低，增加了鍛造時的加熱次數和動能消耗。目前，公司所生產的薄壁長套筒類鍛件壁厚范圍一般為110-150 mm，相對壁厚t/d<0.1（其中t為管模壁厚，d為內孔直徑)，而且t/d值越小，芯軸拔長效率越低，越不利于鍛件拔長。以下對影響金屬流動的關鍵因素進行了理論分析和仿真模擬。
模擬參數設置
利用三維仿真軟件對相關模擬參數進行了設置，網格劃分時采用三維四面體單元，分析中采用熱機耦合的方法及剛粘塑性(簡稱粘塑性)有限元理論。
根據實際工藝過程,在以下模擬分析中取有限元計算參數為：芯軸視為剛性體，壞料初始網格數80000個，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。

芯軸拔長成形過程分析
薄壁長套筒類鍛件進行芯軸拔長時,壞料被上下砧壓縮的區域為變形區，左右兩側金屬為外端，變形區域分為A、B兩區，A區為直接受力區，B區為間接受力區，B區受力與變形主要由A區引起的。A區金屬沿軸向流動時借助外端的作用拉著B區金屬一起伸長;而A區金屬沿切向流動時受到外端限制，因此芯軸拔長時外端金屬起著重要作用。外端對A區金屬切向流動的限制越強,越有利于變形區金屬的軸向伸長,反之則不利于變形金屬的軸向流動。
在實際生產中,薄壁長套筒類鍛件集中在中小規格,壁薄,相對壁厚小,極不利于芯軸拔長成形。因此，如何限制金屬切向流動、降低金屬軸向流動阻力顯得尤為重要。以下分別從拔長壓下量、V砧夾角及拔長送進量3個關鍵因素進行模擬分析。
不同拔長壓下量仿真分析
芯軸拔長過程中,每錘采用不同壓下量對還料變形影響情況進行了仿真模擬,每錘壓下量分別采用90、140、190 mm，每次壓下后坯料旋轉45°。
模擬分析發現，壓下量較小時,內孔畸變程度較小，隨著壓下量的增大，內孔畸變程度相應增大,內孔出現折疊的趨勢愈發明顯。當壓下量為90 mm時,坯料變形量較小,內孔幾乎沒有出現畸變，近似圓形;壓下量為140 mm時,壞料內孔出現較大畸變，但仍然呈規則形狀，近似橢圓形；壓下量為190mm時,壞料變形就較大,內孔畸變增加,呈現不規則形狀，且局部出現折疊的趨勢急劇增加。
綜合模擬仿真情況并結合生產實際分析，壓下量較小時易于保證鍛件質量，但不利于鍛件拔長必然增加加熱次數、浪費動能，生產效率低；壓下量較大時，拔長效率高，但隨著壓下量的增大，內孔容易出現折傷，鍛件質量不穩定。因此對于這類小薄壁長套筒類鍛件成形成品階段每錘壓下量按照90-140 mm范圍內進行控制較為適宜。
不同V型砧夾角拔長仿真分析
薄壁長套筒類鍛件拔長過程中V站夾角對金屬流動影響較為明顯，通過對不同V砧角度進行模擬分析發現，采用較小V砧夾角時，金屬軸向流動阻力較小,流動速率較快,隨著夾角的增大,軸向金屬流動速率急劇降低。采用95°夾角時,V砧對坯料徑向金屬流動限制作用較強,流動阻力較大，更有利于金屬的軸向流動，***大流動速率約為0.971 mm/s;采用115°夾角時，V砧對坯料徑向金屬流動限制逐漸減弱，軸向金屬流動速度慢，***大流動速率約0.835 mm/s。
綜合上述分析,夾角較小時V砧對壞料徑向金屬流動限制較強,提高了金屬軸向流動速率,但結合實際生產，過小的V砧夾角降低了工裝通用性，也不利于生產組織;夾角較大時金屬軸向流動速率慢，不利于拔長。因此對于中小薄壁長套筒類鍛件在工裝設計時V砧夾角按照100°-105°較為適宜。
不同拔長送進量仿真分析
拔長送進量對薄壁長套筒類金屬軸向流動影響較大，根據實際情況分別對拔長送進量500、600、700、800、900 mm進行模擬分析。
模擬分析發現,采用較小送進量時，金屬軸向流動速率影響較為明顯，隨著送進量的增大，金屬流動速率逐漸減小，采用500 mm送進量時,金屬軸向流動速度較快,由***小阻力定律可知,送進量較小時，金屬與輔具的接觸面積相對較小,拔長時對切向金屬流動限制較強,更利于金屬軸向流動,***大流動速率約為0.968 mm/s:采用900mm送透量時,金屬與輔具接觸面積較大,限制了金屬軸向流動，***大流動速率約為0.869 mm/s。

綜合上述模擬分析和實際生產情況,薄壁長套筒類鍛件成形成品階段拔長送進量按照550-650 mm范圍較為適宜。
生產試制
結合以上分析，工藝參數和工裝輔具分別選取壓下量120 mm、送進量 600 mm、V 型砧夾角100°進行生產試制，具體生產試制過程經生產試制，采用該工藝參數和工裝輔具，鍛件拔長效率大幅度提高，保證了鍛件質量，鍛件合格率95%以上。
通過采用剛粘塑性有限元法對薄壁長套筒類鍛件拔長成形進行仿真分析，研究結果表明：
運用模擬手段研究了壓下量、V砧夾角和送進量對薄壁長套類鍛件拔長影響規律,并結合經驗和試驗獲得了合理的工藝參數。實際生產結果表明，分析提出的工藝參數很好地解決了拔長效率低的問題。

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