基于Deform-3D的銅水表殼體的多向模鍛成形工藝研究

文/周凌華，吳佳森，許濤·湖州機(jī)床廠有限公司

通常國(guó)內(nèi)的水表殼體以鑄鐵為主，極少部分會(huì)采用鋁合金或不銹鋼材質(zhì)。鑄鐵水表殼體由于耐腐蝕性差，經(jīng)常會(huì)在水中出現(xiàn)鐵銹現(xiàn)象。而在日本，則普遍采用無(wú)鉛銅作為水表殼體的材質(zhì)，銅具有良好的耐腐蝕性能，且含有銅離子的水溶液具有殺菌作用，可以有效確保水的清潔。

本次工藝研究旨在探索一種鍛造工序少、加工余量少、產(chǎn)品質(zhì)量好及產(chǎn)量高的新工藝方式。本次工藝研究以13mm銅水表殼體為基形，分別通過(guò)數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探索。試驗(yàn)的銅水表殼體鍛件尺寸圖如圖1所示。

數(shù)值模擬

模型的建立

圖1 銅水表殼體鍛件圖

由于零件形狀較為復(fù)雜，因此在建立模型時(shí)選擇對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行模擬。根據(jù)鍛件的體積，并考慮網(wǎng)格劃分時(shí)的體積損失以及成形時(shí)的材料損耗，在此基礎(chǔ)上增加5%的材料補(bǔ)償，計(jì)算出用于模鍛成形的坯料尺寸。用三維軟件建立數(shù)值模擬所需的上、下模及各擠壓沖頭，并導(dǎo)入Deform進(jìn)行網(wǎng)格化。

擠壓參數(shù)選取

選取材料為CuZn28，其抗拉強(qiáng)度σb=295MPa,伸長(zhǎng)率為δ10=30%，彈性模量E=100GPa，泊松比為0.3。設(shè)定鍛造坯料的初始溫度為730℃，模具預(yù)熱溫度200℃，模具與材料間摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導(dǎo)率為11W/(m·K)。設(shè)定工藝方式為上下合模，左右封模，后側(cè)主擠壓。主擠壓頭擠壓速度為30mm/s，且保持定速擠壓。

模擬過(guò)程

數(shù)值模擬成形過(guò)程中引入了左右凸頭端面的沖孔工藝，在左右凸頭端面成形的同時(shí)擠出一定量的盲孔，在實(shí)際生產(chǎn)中可減少材料的浪費(fèi)，提高材料利用率。

在數(shù)值模擬中可觀察到坯料在成形的同時(shí)伴隨有正擠壓與反擠壓的狀態(tài)，由于沖頭擠入坯料內(nèi)部，坯料整體拔高，且制品兩側(cè)凸臺(tái)與其底部肋筋同時(shí)開始成形，在坯料拔高到接觸沖頭臺(tái)肩時(shí)，口部被沖頭臺(tái)肩壓下，口部正擠壓增厚，而制品兩側(cè)凸臺(tái)則在其底部肋筋完全成形后，最后成形，數(shù)值模擬成形過(guò)程如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬成形過(guò)程

溫度場(chǎng)分析

制品在成形過(guò)程中及成形后的溫度場(chǎng)分布如圖3所示，因底部肋筋厚度較薄，散熱較快，而制品口部由于在最初的反擠壓階段中坯料未發(fā)生內(nèi)部流動(dòng)，因此，此兩處的溫度最低，低于600℃。而制品的內(nèi)外側(cè)壁由于始終與模具接觸，且模具溫度遠(yuǎn)低于坯料溫度，但由于存在坯料的內(nèi)部流動(dòng)以及坯料與模具的摩擦作用，對(duì)于坯料有一定量的溫度補(bǔ)償，最終溫度處于600～650℃之間。而制品兩側(cè)凸臺(tái)則在成形過(guò)程中僅在最終成形時(shí)與模具接觸，且材料始終處于流動(dòng)狀態(tài)中，因此，此處溫度最高，超過(guò)700℃。

圖3 銅水表殼體模擬成形后溫度場(chǎng)分布

成形飽滿度及成形力曲線分析

鑒于銅在高溫狀態(tài)下良好的流動(dòng)性，在數(shù)值模擬的最終階段，材料充滿整個(gè)模腔，并出現(xiàn)了少量毛刺，且成形力在整個(gè)過(guò)程中基本處于線性上升趨勢(shì)，僅在最終充滿整個(gè)模腔時(shí)出現(xiàn)曲線斜率飛升，出現(xiàn)此現(xiàn)象主要跟網(wǎng)格的劃分和模擬精度有關(guān)。根據(jù)模擬狀態(tài)，可判斷成形此銅水表殼體的擠壓力在2000kN以下。銅水表殼體成形飽滿度如圖4所示，成形力曲線如圖5所示。

圖4 銅水表殼體成形飽滿度

圖5 銅水表殼體成形力曲線

缺陷分析

在數(shù)值模擬中，為驗(yàn)證是否可通過(guò)增大沖頭直徑減少內(nèi)孔加工余量，故設(shè)置沖頭直徑為φ55 mm，如圖6所示通過(guò)剖面觀察到口部在成形過(guò)程中，由于壁厚過(guò)薄而出現(xiàn)折疊缺陷，因此重新修正沖頭直徑為φ53mm后，折疊現(xiàn)象消失。

圖6 銅水表殼體口部成形缺陷

工藝試驗(yàn)及試生產(chǎn)

設(shè)備選取

工藝的確定以數(shù)值模擬的結(jié)果作為主要參考依據(jù)，選取設(shè)備規(guī)格為一臺(tái)HJ049-315/250/63×2的多向模鍛液壓機(jī)，設(shè)備的上下合模力為3150kN，左右封模力為630kN，后側(cè)主擠壓力為2500kN，主擠壓速度為30mm/s。

前期試制結(jié)果分析及改進(jìn)

在前期制品試制中出現(xiàn)實(shí)際所需的壓力遠(yuǎn)大于計(jì)算值，且制品的底部肋筋及口部無(wú)法飽滿、底部厚度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，實(shí)物如圖7所示。

圖7 前期試制銅水表殼體實(shí)物

⑴通過(guò)增加材料重量，解決了口部不飽滿的狀況，因此可以判斷所需擠壓力過(guò)大的原因主要為制品底部的變形抗力過(guò)大。

⑵制品底部變形抗力過(guò)大主要由于制品底部厚度減小或底部溫度過(guò)低，導(dǎo)致材料流動(dòng)阻力增大，因此考慮采取措施，降低此厚度下底部材料的流動(dòng)阻力，提高材料的可塑性、流動(dòng)性。

⑶通過(guò)多次試驗(yàn)及測(cè)量，發(fā)現(xiàn)制品底部在成形中溫降速率遠(yuǎn)大于數(shù)值模擬，成形結(jié)束后的溫度不到400℃，此溫度下的材料流動(dòng)阻力遠(yuǎn)大于數(shù)值模擬，因此首先考慮提高模具預(yù)熱溫度，達(dá)到減小制品底部溫降、提高材料流動(dòng)性的目的，但實(shí)際驗(yàn)證效果并不明顯。

⑷提高材料流動(dòng)性的另一措施為提高材料的流動(dòng)速率，需提高主擠壓速度，通過(guò)對(duì)液壓機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行改造，將主擠壓速度由30mm/s提高至70mm/s。

后期試制及試生產(chǎn)

在將設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行改造，對(duì)主擠壓速度進(jìn)行提速后，試制的產(chǎn)品已能完全達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了小批量的試生產(chǎn)，制品均檢驗(yàn)合格，制品實(shí)物如圖8所示。

圖8 后期試制水表殼體實(shí)物

在試制時(shí)，由于模具溫度低，設(shè)備的主擠壓力約為2000kN，而隨著試生產(chǎn)的進(jìn)行，模具溫度逐漸提高并穩(wěn)定，主擠壓力逐漸降低并穩(wěn)定在1600kN左右，略小于數(shù)值模擬的結(jié)果。

結(jié)論

⑴數(shù)值模擬對(duì)于制品的成形能提供有效的參考，數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)定主要是為了模擬實(shí)際生產(chǎn)工況，但實(shí)際工況的變化依舊無(wú)法完全用數(shù)值模擬來(lái)呈現(xiàn)，因此在試制中仍然與數(shù)值模擬出現(xiàn)了一定的偏差。

⑵對(duì)比數(shù)值模擬與試制的結(jié)果，進(jìn)行理論及實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，可較快地找到解決問(wèn)題的思路；原設(shè)計(jì)思路中此閉式模鍛的方式不應(yīng)出現(xiàn)毛刺及飛邊，但試制及試生產(chǎn)合格的產(chǎn)品在進(jìn)行拋丸前有局部的飛邊和毛刺出現(xiàn)，經(jīng)分析認(rèn)為是銅在高溫下極好的延展性，并且隨著模具經(jīng)過(guò)多次的高溫及冷卻，各個(gè)合模面均有一定程度的磨損，導(dǎo)致合模間隙過(guò)大，從而出現(xiàn)毛刺及飛邊。

本次工藝研究成功探索出了一種針對(duì)此類水表殼體的工藝思路，并且此種工藝同樣可廣泛推廣到類似產(chǎn)品如閥體類的多向模鍛上。