薄壁深長筋履帶下板體成形工藝研究

李科鋒，孫曉東，陳　波，汪　祥

(1.哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150056；2.駐674廠軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150056)

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薄壁深長筋履帶下板體成形工藝研究

李科鋒1，孫曉東2，陳波2，汪祥1

(1.哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150056；2.駐674廠軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150056)

為滿足履帶式裝甲車輛高機(jī)動(dòng)性、輕量化的發(fā)展需求，對(duì)薄壁深長筋履帶下板體進(jìn)行了成形工藝研究。應(yīng)用DEFORM軟件，對(duì)下板體的加強(qiáng)筋成形和鍛造成形進(jìn)行了模擬分析，依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與改進(jìn)，最終確定了薄壁深長筋履帶下板體成形的最佳工藝方案：用φ65 mm×360 mm的原料在預(yù)鍛模膛上輕壓一下→終鍛→切邊→再加熱→終鍛→切邊。

履帶下板體；工藝；成形；DEFORM軟件；數(shù)值模擬

1　零件成形工藝分析

履帶板的零件圖如圖1所示。該履帶板的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，壁厚較薄(5 mm)，且加強(qiáng)筋較高，形狀復(fù)雜，鍛造成形難度大。特別是零件的正面成形困難，有可能需要多火成形。為了保證多次成形的制件尺寸精確度，成形時(shí)選擇用沖頭成形零件正面。成形設(shè)備為10 t模鍛錘。鍛件形狀如圖2所示。

圖1　履帶板零件圖

圖2　履帶板鍛件圖

2　成形過程數(shù)值模擬

本文采用DEFORM分析軟件，對(duì)履帶板的鍛造成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，制定合理的工藝方案[1]。DEFORM軟件是一套基于有限元的工藝仿真軟件，用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝[2]。通過在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)加工過程，來設(shè)計(jì)產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，降低生產(chǎn)和材料成本，縮短研究開發(fā)周期。應(yīng)用該軟件，可進(jìn)行冷、溫、熱鍛成形和熱傳導(dǎo)耦合分析。該軟件具有豐富的材料數(shù)據(jù)庫，包括各種鋼、鋁合金、鈦合金和超合金，還允許用戶自行輸入材料數(shù)據(jù)庫中沒有的材料[3]，可提供材料流動(dòng)、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向、缺陷形成和韌性破裂等信息。利用軟件網(wǎng)格劃分和質(zhì)點(diǎn)跟蹤功能，可以分析材料內(nèi)部的流動(dòng)信息及各種場(chǎng)量分布[4]。

2.1加強(qiáng)筋成形數(shù)值模擬

為了研究坯料厚度和加強(qiáng)筋高度成形效果的關(guān)系，應(yīng)進(jìn)行平板坯料鍛造成形加強(qiáng)筋過程的數(shù)值模擬。坯料的厚度為35 mm，數(shù)值模擬模型圖如圖3所示。成形過程共為4次鍛造成形，成形效果圖如圖4所示。模擬結(jié)果顯示，厚度為35 mm的平板基本可以成形高度為10 mm的加強(qiáng)筋，但2個(gè)小加強(qiáng)筋端部成形不充分(見圖5)。履帶板零件的結(jié)構(gòu)比平板更容易成形加強(qiáng)筋，因此，可以進(jìn)一步減小坯料的厚度。

圖3　數(shù)值模擬模型

圖4　成形效果圖

圖5　加強(qiáng)筋成形厚度圖

2.2鍛造成形數(shù)值模擬

2.2.1選擇平板坯料進(jìn)行模擬

選擇不同外形尺寸的平板坯料進(jìn)行數(shù)值模擬，其數(shù)值模擬模型圖如圖6所示。

圖6　數(shù)值模擬模型圖

1)坯料外形尺寸為150 mm×150 mm×30 mm，數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。由于坯料的尺寸過大，成形模擬過程提前終止。

圖7　數(shù)值模擬結(jié)果圖

2)坯料外形尺寸為150 mm×130 mm×30 mm，且上端面兩側(cè)為R20 mm圓角，其余圓角為R10 mm。模擬效果如圖8所示。模擬結(jié)果顯示,鍛件的各部位雖能充分成形，但壁厚較設(shè)計(jì)尺寸超出太多，應(yīng)進(jìn)一步減小坯料厚度。

圖8　數(shù)值模擬結(jié)果圖

3)坯料外形尺寸為150 mm×130 mm×25 mm，且上端面兩側(cè)為R20 mm圓角，其余圓角為R10 mm。坯料厚度相對(duì)于上一次減少5 mm。模擬效果如圖9所示。模擬結(jié)果顯示，鍛件厚度雖稍有減少，但仍超出設(shè)計(jì)尺寸，且加強(qiáng)筋未能充分成形。所以只單純地減小坯料厚度，并沒有起到良好的效果。從成形效果圖發(fā)現(xiàn)，飛邊槽并沒有流出大量的余料，應(yīng)修正飛邊槽的尺寸。

圖9　數(shù)值模擬結(jié)果圖

4)坯料外形尺寸為150 mm×130 mm×25 mm，且上端面兩側(cè)為R20 mm圓角，其余圓角為R10 mm。上、下模的飛邊槽位置加大了倒角。模擬效果如圖10所示。模擬結(jié)果顯示，加強(qiáng)筋成形充分，且鍛件的厚度進(jìn)一步減小，但仍高于設(shè)計(jì)尺寸。

圖10　數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.2選擇異形坯料進(jìn)行模擬

坯料形狀如圖11所示。模擬模型如圖12所示。

圖11　坯料形狀圖

圖12　數(shù)值模擬模型圖

1)坯料尺寸如圖13所示。數(shù)值模擬結(jié)果如圖14所示。模擬結(jié)果顯示，鍛件各部位均充分成形，鍛件厚度進(jìn)一步減小為9.8 mm。

圖13　坯料尺寸圖

圖14　數(shù)值模擬結(jié)果圖

2)坯料尺寸如圖15所示。數(shù)值模擬結(jié)果如圖16所示。模擬結(jié)果顯示，鍛件各部位均充分成形，鍛件厚度進(jìn)一步減小為約7 mm。

圖15　坯料尺寸圖

圖16　數(shù)值模擬結(jié)果圖

3)坯料尺寸圖如圖17所示。數(shù)值模擬結(jié)果如圖18所示。模擬結(jié)果顯示，鍛件各部位均充分成形，鍛件厚度進(jìn)一步減小為約6 mm。

圖17　坯料尺寸圖

圖18　數(shù)值模擬結(jié)果

4)二次鍛造模擬效果圖如圖19所示。模擬結(jié)果顯示，鍛件厚度進(jìn)一步減小為約5 mm。

圖19　數(shù)值模擬結(jié)果

5)將坯料上平面厚度減為10 mm，數(shù)值模擬結(jié)果圖如圖20所示。模擬結(jié)果顯示，鍛件各部位均充分成形，鍛件厚度進(jìn)一步減小為約5 mm。

圖20　數(shù)值模擬結(jié)果圖

3　金屬下板體成形試制

成形試制過程如下。

1)第1次試驗(yàn)是用自由鍛將原料鍛成18 mm×157 mm×370 mm方板，由于方板太薄，四角無法鍛出，經(jīng)預(yù)鍛、終鍛后，鍛件四角無法充滿，此方案不行。

2)第2次試驗(yàn)是用自由鍛將原料用底模制坯，由于板太薄，四角無法鍛出，經(jīng)預(yù)鍛、終鍛后，鍛件四角無法充滿，此方案不行。

3)第3次試驗(yàn)是用φ65 mm×360 mm的原料直接預(yù)鍛、2次終鍛，不采用制坯工序。經(jīng)過2次模鍛，測(cè)量鍛件厚度為5.5 mm，鍛件四角充滿良好，符合設(shè)計(jì)要求，說明φ65 mm的原料可以鍛造要求，但兩端加強(qiáng)筋處局部存在折疊，需進(jìn)一步試驗(yàn)。

4)第4次試驗(yàn)是用φ65 mm×360 mm的原料在預(yù)鍛模膛上輕壓一下，形成初步形狀，以便能夠平穩(wěn)放在終鍛模膛上。經(jīng)過輕壓方法后，進(jìn)行2次終鍛，折疊消失，測(cè)量鍛件厚度為5.5 mm，鍛件四角充滿良好，符合設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)語

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終確定了用φ65 mm×360 mm的原料在預(yù)鍛模膛上輕壓一下→終鍛→切邊→再加熱→終鍛→切邊的最佳的工藝方案。

[1] 陳剛，李科鋒，杜之明,等.特種車輛履帶板熱壓成形技術(shù)研究[J].鍛壓技術(shù)，2010，35(6)：27-30.

[2] 徐自立，婁茂昆，郭志勇,等.基于板料成形數(shù)值模擬的覆蓋件模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2010,35(1)：99-102.

[3] 畢文權(quán). 汽車橋殼熱沖壓成形工藝數(shù)值模擬及工程應(yīng)用研究[D].長春: 吉林大學(xué), 2009.

[4] 徐偉力,管曙榮,艾健,等.鋼板熱沖壓新技術(shù)介紹[J].塑性工程學(xué)報(bào), 2009,16(4): 39-43.

責(zé)任編輯馬彤

Research on Thin-walled Deep Muscle Tracks the Lower Body Forming Technology

LI Kefeng1， SUN Xiaodong2， CHEN Bo2， WANG Xiang1

(1.Harbin First Machinery Group Co.， Ltd.， Harbin 150056, China； 2.In 674 the Military Agent’s Room， Harbin 150056, China)

To meet the tracked armor vehicle high mobility, and demand for the development of lightweight, forming technology research of the thin-walled deep muscle tracks the lower body. Using the DEFORM software, analyze the reinforcement of the lower body and forging forming simulation. According to the design and improvement analysis results, determine the best process for the thin-walled deep muscle tracks the lower body: with 65 mm ×360 mm material, a light pressure is on the pre forging die chamber, then finish forging， trim, reheat， finish forging and trim.

track the lower body， process， forming， DEFORM software， the numerical simulation

TJ 81+0.2

A

李科鋒(1973-)，男，高級(jí)工程師，主要從事熱成型技術(shù)等方面的研究。

2016-04-18