薄壁套筒锻件拔长影响因素分析

发布时间：2021-04-22 人气：

大型薄壁长套筒类锻件在大型自由锻领域中成形难度较大，主要体现在芯轴拔长过程中金属沿轴向流动阻力大，拔长效率低，增加了锻造时的加热次数和动能消耗。目前，公司所生产的薄壁长套筒类锻件壁厚范围一般为110-150 mm，相对壁厚t/d<0.1（其中t为管模壁厚，d为内孔直径)，而且t/d值越小，芯轴拔长效率越低，越不利于锻件拔长。以下对影响金属流动的关键因素进行了理论分析和仿真模拟。
模拟参数设置
利用三维仿真软件对相关模拟参数进行了设置，网格划分时采用三维四面体单元，分析中采用热机耦合的方法及刚粘塑性(简称粘塑性)有限元理论。
根据实际工艺过程,在以下模拟分析中取有限元计算参数为：芯轴视为刚性体，坏料初始网格数80000个，工件选材21CrMo10，坯料始锻温度1180℃，坯料与辅具接触面间摩擦因子取m=0.3。

芯轴拔长成形过程分析
薄壁长套筒类锻件进行芯轴拔长时,坏料被上下砧压缩的区域为变形区，左右两侧金属为外端，变形区域分为A、B两区，A区为直接受力区，B区为间接受力区，B区受力与变形主要由A区引起的。A区金属沿轴向流动时借助外端的作用拉着B区金属一起伸长;而A区金属沿切向流动时受到外端限制，因此芯轴拔长时外端金属起着重要作用。外端对A区金属切向流动的限制越强,越有利于变形区金属的轴向伸长,反之则不利于变形金属的轴向流动。
在实际生产中,薄壁长套筒类锻件集中在中小规格,壁薄,相对壁厚小,极不利于芯轴拔长成形。因此，如何限制金属切向流动、降低金属轴向流动阻力显得尤为重要。以下分别从拔长压下量、V砧夹角及拔长送进量3个关键因素进行模拟分析。
不同拔长压下量仿真分析
芯轴拔长过程中,每锤采用不同压下量对还料变形影响情况进行了仿真模拟,每锤压下量分别采用90、140、190 mm，每次压下后坯料旋转45°。
模拟分析发现，压下量较小时,内孔畸变程度较小，随着压下量的增大，内孔畸变程度相应增大,内孔出现折叠的趋势愈发明显。当压下量为90 mm时,坯料变形量较小,内孔几乎没有出现畸变，近似圆形;压下量为140 mm时,坏料内孔出现较大畸变，但仍然呈规则形状，近似椭圆形；压下量为190mm时,坏料变形就较大,内孔畸变增加,呈现不规则形状，且局部出现折叠的趋势急剧增加。
综合模拟仿真情况并结合生产实际分析，压下量较小时易于保证锻件质量，但不利于锻件拔长必然增加加热次数、浪费动能，生产效率低；压下量较大时，拔长效率高，但随着压下量的增大，内孔容易出现折伤，锻件质量不稳定。因此对于这类小薄壁长套筒类锻件成形成品阶段每锤压下量按照90-140 mm范围内进行控制较为适宜。
不同V型砧夹角拔长仿真分析
薄壁长套筒类锻件拔长过程中V站夹角对金属流动影响较为明显，通过对不同V砧角度进行模拟分析发现，采用较小V砧夹角时，金属轴向流动阻力较小,流动速率较快,随着夹角的增大,轴向金属流动速率急剧降低。采用95°夹角时,V砧对坯料径向金属流动限制作用较强,流动阻力较大，更有利于金属的轴向流动，***大流动速率约为0.971 mm/s;采用115°夹角时，V砧对坯料径向金属流动限制逐渐减弱，轴向金属流动速度慢，***大流动速率约0.835 mm/s。
综合上述分析,夹角较小时V砧对坏料径向金属流动限制较强,提高了金属轴向流动速率,但结合实际生产，过小的V砧夹角降低了工装通用性，也不利于生产组织;夹角较大时金属轴向流动速率慢，不利于拔长。因此对于中小薄壁长套筒类锻件在工装设计时V砧夹角按照100°-105°较为适宜。
不同拔长送进量仿真分析
拔长送进量对薄壁长套筒类金属轴向流动影响较大，根据实际情况分别对拔长送进量500、600、700、800、900 mm进行模拟分析。
模拟分析发现,采用较小送进量时，金属轴向流动速率影响较为明显，随着送进量的增大，金属流动速率逐渐减小，采用500 mm送进量时,金属轴向流动速度较快,由***小阻力定律可知,送进量较小时，金属与辅具的接触面积相对较小,拔长时对切向金属流动限制较强,更利于金属轴向流动,***大流动速率约为0.968 mm/s:采用900mm送透量时,金属与辅具接触面积较大,限制了金属轴向流动，***大流动速率约为0.869 mm/s。

综合上述模拟分析和实际生产情况,薄壁长套筒类锻件成形成品阶段拔长送进量按照550-650 mm范围较为适宜。
生产试制
结合以上分析，工艺参数和工装辅具分别选取压下量120 mm、送进量 600 mm、V 型砧夹角100°进行生产试制，具体生产试制过程经生产试制，采用该工艺参数和工装辅具，锻件拔长效率大幅度提高，保证了锻件质量，锻件合格率95%以上。
通过采用刚粘塑性有限元法对薄壁长套筒类锻件拔长成形进行仿真分析，研究结果表明：
运用模拟手段研究了压下量、V砧夹角和送进量对薄壁长套类锻件拔长影响规律,并结合经验和试验获得了合理的工艺参数。实际生产结果表明，分析提出的工艺参数很好地解决了拔长效率低的问题。

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