異形封頭鍛件鐓擠成形工藝研究

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

某異形封頭鍛件外形結(jié)構(gòu)較特殊，大端外徑2550mm，大端壁厚175mm，封頭底部的出口管嘴最大直徑1175mm，為垂直偏心結(jié)構(gòu)，其中心較封頭大端中心向左偏心381mm；側(cè)面進(jìn)口管嘴軸心與底部出口管嘴軸心垂直，管嘴外端面最大直徑942mm，且外端面已超出封頭大端外邊緣287mm，屬于典型的非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 零件圖Figure 1 Parts drawing

1 成形方案的選擇

對(duì)于此類異形封頭鍛件主要采用自由鍛壓機(jī)胎膜鍛造成形方式以及擠壓機(jī)模內(nèi)擠壓成形方式。采用自由鍛壓機(jī)胎模鍛造成形方式，成形過程為模內(nèi)預(yù)鐓粗，專用錘頭旋轉(zhuǎn)開凹，此種成形方式鍛造余量較大，靠整體增加側(cè)管嘴一側(cè)余量來包含住側(cè)管嘴，且此種成形方式專用錘頭旋轉(zhuǎn)開凹時(shí)，易造成封頭內(nèi)表面底部區(qū)域氧化鐵皮鍛入鍛件內(nèi)部，易造成檢測(cè)不合格，要靠增大此位置鍛造余量保證檢測(cè)合格。采用擠壓機(jī)模內(nèi)擠壓成形對(duì)設(shè)備能力及模具結(jié)構(gòu)要求較高，根據(jù)此鍛件形狀結(jié)構(gòu)，采用鐓擠復(fù)合式擠壓成形方式(鐓粗、反擠壓及徑向擠壓相結(jié)合的方式)進(jìn)行整體模內(nèi)鐓擠成形[1]，這種方式具有較好的金屬流線及較高的材料利用率。采用此種方式還需對(duì)模具結(jié)構(gòu)及擠壓前坯料尺寸進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足鍛件尺寸要求及設(shè)備成形力要求。

根據(jù)以上分析，采用模內(nèi)鐓擠成形方式對(duì)此異形封頭鍛件進(jìn)行研究分析。

2 模具設(shè)計(jì)思路

擠壓模具設(shè)計(jì)是否合理對(duì)擠壓成形結(jié)果起到?jīng)Q定性作用，模具設(shè)計(jì)不僅要利于金屬的流動(dòng)，鐓擠成形后還要易于脫模，具體設(shè)計(jì)思路如下：

(1)從利于金屬流動(dòng)性方面考慮：封頭大端部位為反擠壓成形，為便于金屬流動(dòng)，成形模內(nèi)腔大端拔模斜度設(shè)計(jì)為3°；因側(cè)管嘴超出大端外緣較大距離，盡量將大端與側(cè)管嘴相交部位的圓角增大，便于金屬坯料向側(cè)管嘴一側(cè)流動(dòng)；設(shè)計(jì)專用底墊成形封頭底部偏心直管嘴，專用底墊上的凸臺(tái)不僅能夠擠壓成形封頭底部直管嘴，同時(shí)還可以造成坯料盡可能向側(cè)管嘴一側(cè)流動(dòng)。

(2)從模具定位及便于脫模方面考慮：考慮此異形封頭側(cè)管嘴外端面已超出封頭大端外邊緣，成形模采用左右半模結(jié)構(gòu)，便于擠壓成形后的脫模；左右成形半模及專用底墊裝配后，靠整體固定環(huán)進(jìn)行定位及固定；為便于成形后左右成形半模與整體固定環(huán)的分離，整體固定環(huán)內(nèi)腔及左右成形半模外輪廓拔模斜度設(shè)計(jì)為1°。

下模裝配立體示意圖如圖2所示。下模裝配簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖2 下模裝配立體示意圖Figure 2 3D assembly diagram of lower die

圖3 下模裝配簡(jiǎn)圖Figure 3 Assembly diagram of lower die

3 成形數(shù)值模擬分析

采用CATIA軟件建立三維立體模型，并運(yùn)用Deform-3D模擬軟件進(jìn)行模擬。模擬過程中不考慮坯料與模具等外界的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，坯料材質(zhì)設(shè)定為20#鋼，模具設(shè)置為剛體，擠壓沖頭壓下速度設(shè)置為4mm/s，摩擦系數(shù)為0.5，坯料溫度為1180℃。根據(jù)設(shè)備能力，模擬時(shí)設(shè)定成形力最高不能超過500MN。

圖4 模具及坯料擠壓初始狀態(tài)Figure 4 Initial extrusion state of die and billet

3.1 方案1成形過程分析

方案1初始坯料形狀采用標(biāo)準(zhǔn)圓棒料，尺寸為?2000mm×1700mm，重量約41.5t，沖頭設(shè)計(jì)為斜度為3°的圓底平面形沖頭，模具及坯料擠壓初始狀態(tài)如圖4所示。

模擬過程表明，初始?jí)合码A段因坯料與模具接觸面積較小，成形力較小，初始階段的變形主要是正向鐓粗與正向擠壓過程，當(dāng)封頭底部管嘴基本成形結(jié)束后，主要變形過程為反向擠壓成形封頭大端與徑向擠壓封頭側(cè)管嘴，此時(shí)坯料與成形模內(nèi)表面接觸面積增大，成形力明顯增大，當(dāng)側(cè)管嘴一側(cè)坯料與側(cè)管嘴內(nèi)模端面接觸后，成形力激增，此位置坯料受三向壓應(yīng)力擠壓是成形力激增的重要原因[2]。沖頭壓下行程1175mm時(shí)，成形力達(dá)到500MN(見圖5)，從模擬結(jié)果(見圖6)對(duì)零件的包絡(luò)情況看，封頭大端不能滿足零件尺寸要求，由于側(cè)管嘴的存在，側(cè)管嘴一側(cè)大端缺肉情況較另一側(cè)更為明顯。

3.2 方案2成形過程分析

通過對(duì)方案1的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出：

(1)在側(cè)管嘴端面與模具內(nèi)腔接觸前，封頭大端就應(yīng)滿足尺寸要求，這樣就能避免成形力激增的情況發(fā)生。

圖5 成形力Figure 5 Forming force

圖6 模擬結(jié)果Figure 6 Simulation result

(2)因側(cè)管嘴的存在，側(cè)管嘴一側(cè)所需坯料較另一側(cè)要多，對(duì)初始坯料形狀進(jìn)行優(yōu)化，將初始坯料上端面設(shè)計(jì)為斜的，側(cè)管嘴一側(cè)較另一側(cè)高出150mm，總重量及直徑不變。

(3)由于坯料上端面為斜平面，如果按原沖頭進(jìn)行成形，在壓下初始階段，坯料會(huì)向與沖頭先接觸一側(cè)傾斜，導(dǎo)致成形失敗。對(duì)沖頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在沖頭與底墊凸臺(tái)正對(duì)的部位同樣設(shè)計(jì)1個(gè)凸臺(tái)，壓下初始階段，沖頭與底墊兩個(gè)凸臺(tái)正向擠壓坯料，坯料不會(huì)發(fā)生明顯傾斜，待沖頭與坯料接觸后，坯料已經(jīng)在模內(nèi)發(fā)生變形，后續(xù)也不會(huì)發(fā)生明顯傾斜。同時(shí)，為保證擠壓過程中坯料的流動(dòng)性，沖頭底部由圓平面改為橢球形。

根據(jù)上述分析，重新建立模型，優(yōu)化后初始狀態(tài)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后初始狀態(tài)圖Figure 7 Initial state diagram after optimization

模擬結(jié)果表明，采用優(yōu)化后沖頭及坯料成形，能夠滿足尺寸及設(shè)備成形力要求，成形力最大368MN(見圖8)。成形結(jié)束時(shí)，側(cè)管嘴端面與模具接觸面積較小(見圖9)，管嘴端面處于自由狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生成形力激增的情況。采用此形狀坯料，成形后不會(huì)出現(xiàn)側(cè)管嘴一側(cè)較另一側(cè)缺肉現(xiàn)象，見圖10。

圖8 成形力Figure 8 Forming force

圖9 成形后坯料與模具接觸示意圖Figure 9 Contact diagram of billet and mould after forming

圖10 模擬結(jié)果Figure 10 Simulation result

4 結(jié)論

對(duì)異形封頭鍛件選擇模內(nèi)鐓擠成形方式是可行的，模具結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)合理，通過對(duì)初始坯料形狀尺寸及沖頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，成形后能夠滿足鍛件尺寸要求及設(shè)備成形力要求，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用。