異形件電機端扁頭成形工藝數(shù)值模擬研究

文/李嵐峰，馬鵬翔，談安寶，楊武·蘭州蘭石集團有限公司鑄鍛分公司

本文以某公司電機端扁頭異形件為例，借助計算機模擬，使用Forge 鍛造模擬軟件，進行數(shù)值模擬仿真及分析，材料為35CrMo，毛坯鍛件形狀及尺寸如圖1 所示，模擬使用原材料鋼坯尺寸為600mm×1130mm×1500mm，坯料重量7.9t，鍛造使用50MN 快鍛機組，鍛造溫度范圍為850 ～1220℃。在模擬過程中不斷優(yōu)化方案及參數(shù)，并根據(jù)產(chǎn)品的具體要求，設(shè)計適用的模具，對鍛造的各工序進行模擬及分析，得出優(yōu)化后的最終工藝參數(shù)，對生產(chǎn)高品質(zhì)鍛件具有重要指導(dǎo)意義。

工藝簡介

異形件電機端扁頭鍛造工藝可操作性強，鍛件毛坯尺寸符合要求，模具設(shè)計合理，提高了生產(chǎn)效率，提高了材料利用率，降低了生產(chǎn)成本。根據(jù)產(chǎn)品外形設(shè)計的鍛造工藝路線，具體為先分步鐓粗至300mm，然后翻轉(zhuǎn)滾圓，進一步鐓粗至250mm，最后滾圓修整至φ1600mm。

表1 35CrMo 化學(xué)成分(wt %)

在以上工藝路線的基礎(chǔ)上，根據(jù)上平砧與坯料長度方向垂直或一致分為兩種方案。方案一，上平砧與坯料長度方向垂直；方案二，300mm 之前上平砧與坯料長度方向一致，300mm 鐓粗至250mm 時，上平砧與坯料長度方向垂直。

工藝數(shù)值模擬

模型建立及參數(shù)設(shè)置

使用SolidWorks 軟件對上模、坯料、下模進行三維建模，上模為平砧，下模為自主設(shè)計，下模如圖2 所示，其拔模斜度為7°。然后將.stl 格式文件導(dǎo)入Forge 軟件中，產(chǎn)品材料為35CrMo，材料成分見表1。

對導(dǎo)入的模型進行有限元網(wǎng)格劃分，為保證模擬的準(zhǔn)確性，將網(wǎng)格細(xì)化，最終得到的坯料單元數(shù)為19902，見圖3。設(shè)定坯料始鍛溫度為1220℃，模具預(yù)熱至250℃，環(huán)境溫度為20℃，壓力模型選擇“Multispeed_hydraulic_press”( 即 壓 機 速 度30 →25 →20mm/s 進 行 分 步鐓粗)，壓機最大壓力設(shè)置為5000t。

模擬過程分析

方案一：上平砧與坯料長度方向垂直，模擬過程見圖4，鐓粗過程中450mm 鐓粗至300mm 時模具受力最大為3918.1t，見圖5。在下模具上方坯料鐓粗至300mm 時，表面形狀見圖6，呈扁長型。模具上方坯料滾圓難度較大，故進行方案二模擬。

方案二：300mm 之前上平砧與坯料長度方向一致，300mm 鐓粗至250mm 時，上平砧與坯料長度方向垂直，成形過程如圖7 所示。

經(jīng)過模擬分析，數(shù)據(jù)顯示鐓粗3（450mm 鐓粗至300mm）過程中壓力最大為5061.4t(跳躍點)，平均為4700t，具體受力情況如圖8 所示。分析原因是設(shè)置的初始壓機速度30mm/s 過大，應(yīng)將壓機初始速度減小。

優(yōu)化后：設(shè)置壓機速度為25 →20 →20mm/s。模具承受壓力最大值為4929t，平均為4680t，見圖9，設(shè)備可以滿足生產(chǎn)要求。

方案二：鐓粗3 之后坯料外形如圖10 所示，外形近似四方，在滾圓過程中較易操作。毛坯鍛件示意圖如圖11 所示，外形尺寸滿足加工前要求。

結(jié)論

⑴通過對產(chǎn)品形狀分析，設(shè)計具有拔模斜度的模具，并設(shè)計不同成形工藝方案，使用SolidWorks+ Forge 進行有限元模擬，上平砧與坯料長度方向垂直時，壓機壓力小，但外形呈扁長，加大后續(xù)成形過程難度；上平砧與坯料長度方向一致時，壓機壓力較大，但通過調(diào)整壓機速度，設(shè)備可以滿足要求，并且在鐓粗至300mm 時外形近似四方，后續(xù)過程較易實現(xiàn)。

⑵可選用方案二進行電機端扁頭毛坯件熱加工。