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厚壁空心件辊锻工艺模拟研究
基于刚塑性有限元软件DEFORM-3D,模拟了厚壁空心件辊锻的成形过程,分析了变形区特点、金属流动规律及等效应变场分布状态,研究了摩擦系数、压下量对厚壁空心件辊锻的影响,揭示厚壁空心件与实心件辊锻过程两者延伸量、展宽量及上模载荷的差异。对比分析实验结果和模拟结果,表明借助DEFORM-3D的数值模拟可准确地预测辊锻件的成形效果。增加整形辊锻道次后,圆断面的椭圆度已经消失,获得了高质量的成形件,为指导厚壁空心件的实际生产提供参考依据。
辊锻是采用轧辊作为工具,通过轧制工艺生产锻造工件。它具有设备吨位小、生产效率高、工件尺寸稳定等优点。近些年,国内外对辊锻工艺的模拟做了大量研究,通过模拟坯料在圆—椭圆—圆型槽系中的制坯辊锻变形过程,分析不同变形参数和型槽结构对应力应变的影响,证明辊锻制坯是一种高效率、低投资的制坯手段。王华君等模拟前轴辊锻成形,对比模拟结果与实验结果,显示二者金属流动的一致性。蒋鹏等模拟铁路货车钩尾框精密辊锻过程,对辊锻成形的各道次模具载荷等情况进行分析,为精密辊锻工艺及模具设计提供参考依据。随着市场对空心件需求的增多,人们正在寻求一种高效率、低投资的厚壁空心件成形方法。S.Urankar等讨论空心件楔横轧的临界摩擦值,得出管坯被压碎与管坯材料、壁厚和断面收缩率有关系。秦敏、李继光等通过DEFORM-3D模拟分析了空心车轴的径向锻造。
目前,对厚壁空心件辊锻工艺的研究仍较少,本文采用DEFORM-3D有限元软件对厚壁空心件的辊锻过程进行数值模拟,并进行了试验研究,为厚壁空心件辊锻工艺开发提供参考。

辊锻工艺模拟参数设置

模拟采用的是DEFORM-3D软件,几何模型是在CATIA中构建的。管坯材料为40 Cr,管坯外径40mm,壁厚为4mm,模具材料为5CrNiMo。毛坯与模具之间的摩擦类型采用剪切摩擦,摩擦因子取0.25。为了模拟实际操作的机械手,定义管坯运动方向只为X轴方向。坯料的初始网格单元42636个,10183个节点。工件的初始温度为1050 ℃,辊锻模温度为室温,辊缝距离为2mm,辊锻模公称直径是400mm,锻辊的角速度为4.19rad/s,模拟共2道次,且每道次模拟步数均为100步,步长为0.003s,且每道次辊锻后工件需翻转90°后方可进入下一道次。
图1所示为工件成形效果图,表1所示为典型截面尺寸对比表.如图1(a)所示为第二道辊锻件整形前的形状,表1数据显示工件方截面或圆截面在Z轴方向的尺寸较Y轴方向约大2mm。原因是辊缝的方向是Z轴方向,由于贴近辊缝处的金属不受模具的约束,处于自由状态,在模具径向压力和摩擦力的作用下,根据最小阻力定律,金属会向辊缝里流动,从而引起上述情况。

为了解决典型截面形状在Y轴与Z轴方向尺寸不一致问题,消除辊缝对空心件辊锻过程的影响,增加整形辊锻,即第二道辊锻后使工件沿轴线翻转90°后重新进入第二道辊锻模的型槽,并保持与模具的接触位置与前两道次一致,从而提高辊锻件尺寸的精度.如图1(b)所示为整形后的辊锻件形状,从表1中可以看出,典型截面形状在Y轴与Z轴方向的尺寸问题有明显的改善。

工艺参数对空心件辊锻变形的影响

压下量对空心件辊锻工艺的影响
图2所示为压下量与空心件延伸量、展宽量的关系.圆管坯在椭圆型槽内完成第一道次辊锻,以压下量为变量,模拟研究压下量对坯料展宽和延伸的影响,如图2(a)所示。随着压下量的增加,坯料的展宽量呈线性增加,延伸量略有增加。

椭圆管坯在第二道型槽辊锻,压下量对展宽量及延伸量的影响曲线如图2(b)所示。随着压下量的增加,展宽量开始缓慢增加,当压下量为10.5mm时,展宽量骤然增加;随着压下量的增加,开始延伸量同样缓慢增加,当压下量为8.5mm时,延伸量呈大幅增加趋势。因此,在椭圆型槽辊锻时,以展宽为主;在圆形型槽辊锻椭圆管坯时,展宽和延伸均有临界点。

壁厚对延伸量、展宽量的影响
图3所示为壁厚与延伸量、展宽量的关系.管坯壁厚与延伸量的关系曲线如图3(a)所示。在椭圆型槽辊锻过程中,圆管坯的延伸量随着壁厚增加呈线性增加趋势,这是由于壁厚增加,径向及横向阻力增大,展宽量减小,促进金属纵向延伸。在第二道模型槽内辊锻,椭圆管坯的延伸量随着壁厚的增加而增加。壁厚为4mm~8mm,延伸量增加迅速;壁厚为8mm~12mm,延伸量增加缓慢;在工件接近实心棒料时,延伸量不再增加。

管壁厚与展宽量的关系曲线如图3(b)所示。在椭圆型槽辊锻过程中,圆管坯的展宽量随着壁厚增加而减小,这是因为金属沿型槽横向流动的阻力增大,展宽量减小。在由圆截面段、方截面段及其过渡段组成的型槽内,椭圆管坯的展宽量随着壁厚的增加而呈线性增加。

摩擦系数对辊锻工艺的影响
辊锻模与坯料之间的摩擦系数是影响坯料咬入的主要因素,也是影响前滑的重要因素。对于实心件,延伸量随着摩擦系数增大而减小,且不同的摩擦系数对辊锻件延伸量的影响较大。实际生产时常发现两种情况:⑴使用润滑剂会降低摩擦系数,从而辊锻出延伸较长的工件;⑵有些辊锻模具由于使用时间较长,型槽磨损严重,导致模具型槽的表面粗糙,摩擦系数增大,导致金属纵向延伸的阻力增大,常会出现辊锻后坯料延伸不足的现象。图4所示为摩擦系数对厚壁空心件延伸量的影响曲线,从图中可以看出,圆管坯在椭圆型槽中辊锻时延伸很小,延伸量均不到1mm;第二道辊锻的延伸量较第一道大,延伸量约5~6mm,摩擦系数为0.4时,第二道次延伸量最大,约6mm。图中对比了在相同工况条件下,实心件辊锻摩擦系数与延伸量的关系,从图中可以看出,第二道次比第一道次延伸量大,与空心件规律相同,但两道次延伸量均比空心件大。第二道次,延伸量随摩擦系数的增加而减小,其变化规律与空心件不同。

厚壁空心件与实心件上辊锻模载荷的对比
辊锻过程坯料在X轴方向发生延伸变形、Y轴方向发生压扁变形、Z轴方向发生展宽变形,且每道次辊锻过程坯料都经历三个阶段:咬入阶段、稳定辊锻阶段及与模具分离阶段。图5所示为空心件的三道次辊锻载荷曲线,图6所示为相同条件下实心件的上辊锻模载荷曲线。从图中可以看出,空心件辊锻比实心件辊锻载荷小很多,上述模拟结果对空心件辊锻设备选型具有参考价值。

 

工艺试验

在D42-400双支承辊锻机上进行厚壁空心件辊锻的实验,工艺流程如下:下料φ40mm´4mm´125mm→中频加热到1050℃→两道次辊锻→整形辊锻→冷却。管坯端部留有20mm的夹钳尺寸,每道次辊锻后都需要将锻件沿轴向翻转90°进入下一道次辊锻。因为厚壁空心件辊锻时延伸量较小,所以辊锻前有必要在模具型槽上涂石墨乳进行润滑,这不仅能提高辊锻件的表面质量,减小坯料与模具间的摩擦力,提高模具的使用寿命,还有利于管坯的纵向延伸,图7所示为空心件辊锻试验。

图8所示为试验产品,金属在型槽内流动性好,过渡段成形质量良好,且无飞边产生,与数值模拟产品基本一致,证明了辊锻成形厚壁空心件是可行的,为实际应用提供了参考依据。
结论
(1)由于两道次辊锻每道次压下量过大导致工件成形质量差,通过增加整形辊锻,典型截面段的尺寸精度有明显的提高。(2)第一道次辊锻,摩擦系数对厚壁空心件辊锻延伸影响较小;随着压下量的增加,坯料的展宽量呈线性增加,延伸量略有增加,在椭圆型槽辊锻时,以展宽为主;随着壁厚的增加,延伸量呈线性增加,展宽呈线性减小。(3)第二道次辊锻,摩擦系数对实心件延伸量影响较大,而对空心件的延伸量几乎没有影响;随着压下量的增加,在圆形型槽辊锻椭圆管坯时,展宽和延伸均有临界点。随着壁厚的增加,其延伸与展宽量均呈增大趋势。(4)辊锻空心件所需的成形力较实心件小很多,因此,在实际生产中,对空心件的辊锻可以使用较实心件小的设备,或用同样的设备可生产尺寸更大的空心辊锻件。

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