抽油桿鍛造成形過程有限元分析

張少鋒，羅小兵，劉 俊

（渤海石油裝備新世紀(jì)機械制造有限公司抽油桿制造廠，天津 300280）

0 引言

早期抽油桿鍛造主要靠人工操作，且鍛造成形過程為6工位，勞動強度大、生產(chǎn)效率低、合模精度差，影響產(chǎn)品質(zhì)量的人為因素較多。而國際目前最先進的抽油桿鍛造生產(chǎn)設(shè)備為俄羅斯抽油桿連續(xù)熱鍛自動機，該設(shè)備自動化水平高，模具精度高、壽命長，8工位連續(xù)熱模鍛成形，成形精度高，生產(chǎn)效率是國產(chǎn)鍛機的6倍以上，近年來，國內(nèi)抽油桿生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)引進該設(shè)備，研究6工位成形與8工位連續(xù)熱模鍛成形的成形過程，對比其優(yōu)缺點，利用有限元分析，模擬鍛造成形過程，研究影響模具成形質(zhì)量的有關(guān)因素及8工位連續(xù)熱模鍛成形的優(yōu)勢。

1 鍛造成形過程有限元分析

為了研究鍛造成形過程各工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)等因素對鍛造成形質(zhì)量的影響，進行抽油桿鐓鍛過程的有限元模擬仿真。DEFORM是目前通用的剛塑性有限元分析軟件，在常溫鍛造、熱鍛成形分析中廣泛應(yīng)用，DEFORM軟件能有效預(yù)測零件成形過程中產(chǎn)生的缺陷，分析精度和可靠性有充分保證。通過基于DEFORM的抽油桿成形過程的三維溫度場、應(yīng)力、應(yīng)變、模具溫度及應(yīng)力、應(yīng)變分析，模擬Φ19mm抽油桿8工位成形過程（圖1）。

圖1 抽油桿8工位鍛造成形過程1～4工步模擬

2 成形工藝對比

利用有限元軟件DEFORM—3D對比引進熱模鍛自動機8工位成形技術(shù)和國內(nèi)平鍛機的6工位成形技術(shù)，分析驗證8工位精密模鍛成形工藝的優(yōu)勢。

2.1 成形工藝工步安排

（1）8工位成形技術(shù)。8個工位依次為聚料Ⅰ、聚料Ⅱ、聚料Ⅲ及扳手方預(yù)成形、扳手方成形、切飛邊、螺紋部位鐓粗、扳手方精整Ⅰ（轉(zhuǎn)90°）、扳手方精整Ⅱ（轉(zhuǎn)90°）。模擬成形結(jié)果見圖2。

（2）6工位成形技術(shù)。6個工位分別為聚料Ⅰ、聚料Ⅱ、聚料Ⅲ、預(yù)成形、成形、打字切邊。模擬成形結(jié)果見圖2。

圖2 8工位桿頭成形與6工位桿頭成形過程

2.2 模擬成形結(jié)果分析

模擬分析表明，6工位模具設(shè)計中扳手方與頭部的圓柱同時成形，鍛件受壓力長度較大，造成變形量大、成形難度大，工件易產(chǎn)生壓縮失穩(wěn)，發(fā)生彎曲，即使在后續(xù)的整形工序中鍛件形狀得到矯正，工件內(nèi)部纖維流線也會發(fā)生折疊、紊亂甚至斷裂，易產(chǎn)生折迭缺陷，鍛造成形質(zhì)量難以保證。6工位模具鍛造過程由人工操作，生產(chǎn)節(jié)拍較低，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計中未考慮冷卻裝置。但實際情況是，模具在連續(xù)的工作中溫度會不斷升高，且在預(yù)成形、成形工步中，為了將坯料達到鍛造的尺寸要求，操作者往往在這2個工步分別鍛打（3～4）次，造成模具的溫升更快，一旦超過模具材料的相變溫度，模具會很快失效。

8工位模具設(shè)計方案中將頭部圓柱段鐓粗放在扳手方成形和切邊后單獨進行，使工件受壓力時受力長度較小,工件較易成形，避免了工件的壓縮失穩(wěn)和彎曲變形,見圖3。并增加2個工位用于精整工件，成形質(zhì)量好、精度高，內(nèi)部金屬流線均勻連續(xù)，成形質(zhì)量得到根本保障。8工位模具的凹模和沖頭結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)計了循環(huán)水通道，持續(xù)進行循環(huán)冷卻，使模具保持一定溫度下的熱平衡，有效提高模具的使用壽命（8工位模具區(qū)別于6工位鍛模的主要特點）。6工位模具成形結(jié)果見圖4，8工位模具成形結(jié)果見圖5。

圖3 8工位桿頭成形模具聚料結(jié)果

圖4 6工位模具成形結(jié)果

檢測結(jié)果表明，進口設(shè)備生產(chǎn)的抽油桿鍛件在外觀質(zhì)量、尺寸精度、鍛造組織、晶粒度、金屬流線連續(xù)性等方面明顯優(yōu)于國產(chǎn)平鍛機。

3 基于有限元分析的模具優(yōu)化設(shè)計

翻譯并轉(zhuǎn)化引進鐓鍛機配套模具圖紙，開展模具國產(chǎn)化研究，借助模擬手段，運用有限元軟件DEFORM—3D軟件對轉(zhuǎn)化的國產(chǎn)模具的抽油桿鍛造步驟分別進行數(shù)值模擬，獲得抽油桿成形時金屬的流動變形過程、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布狀態(tài)，所需成形力的大小、模膛充滿狀況，檢驗?zāi)＞咴O(shè)計的合理性，預(yù)測和分析可能產(chǎn)生缺陷的部位及原因，據(jù)此優(yōu)化工藝參數(shù)和模具（模膛）結(jié)構(gòu)，委托模具商開模試制，經(jīng)過工藝驗證和試用，成功替代了進口模具。

3.1 材料流動

通過模擬材料流動，可觀察材料流動趨勢和狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)材料在成形過程中產(chǎn)生的疊料、起皺、填充不足等缺陷，通過合理優(yōu)化設(shè)計鍛模結(jié)構(gòu)能避免材料內(nèi)部的氣孔、夾雜等缺陷，形成合理的金屬流線分布，對工件服役壽命、工作性能有很大提高。圖6～圖10為國產(chǎn)化模具成形時材料流動狀態(tài)模擬，工位7、工位8為精整工序，材料流動極少，圖略。材料流動狀態(tài)模擬圖顯示，工件成形時材料流動方向與工件服役時的受力方向一致，流動均勻，方向合理。聚料時，工件鼓形區(qū)域的材料流動均勻合理，沖斷飛邊之后工件的纖維仍呈流線分布，材料纖維分布無折疊或者折斷，沖模設(shè)計合理。

圖6 工位2材料流動

圖7 工位3材料流動

圖8 工位4材料流動

圖9 工位5材料流動

圖10 工位6材料流動

3.2 工件應(yīng)力應(yīng)變

通過工件的應(yīng)力、應(yīng)變云圖可以看出材料在變形過程中各部位的受力和變形大小。根據(jù)最小阻力原則，材料發(fā)生塑性變形時，總是向受力最小的方向流動，所以材料的受力情況決定材料的最終形狀。工件變形時，應(yīng)變在材料內(nèi)部應(yīng)變分布均勻，不應(yīng)太大，否則材料纖維會被拉斷；應(yīng)變太小，材料不足以發(fā)生塑性變形，會產(chǎn)生彈性回復(fù)工件貼模性不好。圖11和圖12顯示，工件在成形過程中應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)變大小適當(dāng)，在第四個工位的變形量最大，其他工位也有適量變形，各工位分配的變形量較均勻合理，材料的成形效果好。

圖11 鍛件應(yīng)力云圖

圖12 鍛件有效應(yīng)變云圖

分析結(jié)果表明，工件在成形過程中應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)變大小適當(dāng)，在第四個工位的變形量最大，其他工位也有適量變形，各工位分配的變形量較均勻合理，材料的成形結(jié)果好，模具設(shè)計先進、結(jié)構(gòu)合理，滿足工藝要求。

3.3 模具應(yīng)力

圖13～圖16模擬不同工步模具的受力情況。模具應(yīng)力云圖可以看出模具的使用情況，提前預(yù)測快速磨損部位，在設(shè)計模具時，將磨損較快的部位做成鑲塊，方便快速換模，降低模具制造成本和使用中修模的費用。

4 結(jié)論

（1）鍛造成形過程仿真分析表明，8工位鍛造成形過程平緩，充滿度高。

圖13 第二工位模具受力

圖14 第三工位模具受力

圖15 第四工位模具受力

圖16 第六工位模具受力

（2）通過分析8工位和6工位鍛造成形過程工步安排，得出8工位模具設(shè)計更加合理，其生產(chǎn)的抽油桿鍛件在外觀質(zhì)量、尺寸精度、鍛造組織、晶粒度、金屬流線連續(xù)性等方面明顯優(yōu)于6工位鍛造。

（3）對模具成型過程工件所受應(yīng)力的仿真研究表明，工件在成形過程中應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)變大小適當(dāng)，在第四個工位的變形量最大，其他工位也有適量變形，各工位分配的變形量較均勻合理，材料的成形結(jié)果好，模具設(shè)計先進、結(jié)構(gòu)合理，滿足工藝要求。