孟致安 魯素玲 閆華軍 韓鵬彪 胡希磊 王同會(huì) 王浩

摘 要：為了解決傳統(tǒng)U型鋼拉桿存在的生產(chǎn)工藝落后、加工周期長(zhǎng)、材料利用率低等問(wèn)題，提出一體式鋼拉桿成形工藝。以35型鋼拉桿U型頭預(yù)制坯的成形為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了3道次加熱鐓粗方法，采用DEFORM-3D有限元軟件分析了不同工藝條件下鐓粗后溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果，探討了成形效果較佳的熱成形工藝參數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成形的可行性。結(jié)果表明，各道次較佳的熱成形工藝參數(shù)如下：第1道次始鍛溫度為1 150 ℃、沖頭速度為20 mm/s，第2道次始鍛溫度為1 150 ℃、沖頭速度為30 mm/s，第3道次始鍛溫度為1 100 ℃、沖頭速度為20 mm/s;在該熱成形工藝參數(shù)下，各道次的成形力分別為1 520，2 090，5 290 kN，各道次的脹模力分別為5 870，6 710，8 830 kN;鐓粗后金屬流線分布合理，沒(méi)有出現(xiàn)交叉、折疊等現(xiàn)象，成形效果較好。采用3道次熱鐓粗方法制備預(yù)制坯，制件內(nèi)部的等效應(yīng)力分布都比較均勻，可以形成質(zhì)量良好的制件，研究結(jié)果可為35型鋼拉桿U型頭預(yù)制坯的鐓粗聚料工藝設(shè)計(jì)以及設(shè)備選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：塑性加工工藝與設(shè)備;大高徑比;鐓粗聚料;數(shù)值模擬;預(yù)制坯

中圖分類號(hào)：TG376.2?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-1542（2021）01-0082-09

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鋼拉桿在船塢、橋梁、場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)、鐵路等[1-4]大型建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。鋼拉桿按接頭形式分為UU型鋼拉桿、UO型鋼拉桿、OO型鋼拉桿。鋼拉桿U型接頭傳統(tǒng)成形方式采用機(jī)械加工或鑄造，之后再用螺紋連接或焊接的方式將U型頭和桿體相連。傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼拉桿的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。這些傳統(tǒng)方法存在加工成形工藝落后、加工周期長(zhǎng)、材料利用率低、產(chǎn)品性能較差等缺點(diǎn)[5]，同時(shí)U型接頭在結(jié)構(gòu)形態(tài)上類似于枝杈類零件，但又比普通的枝杈類零件開(kāi)槽更深，雙耳板較薄且成鏡面對(duì)稱，成形難度更大。

基于此背景，鋼拉桿的一體式成形工藝應(yīng)運(yùn)而生。一體式鋼拉桿能夠很好地克服傳統(tǒng)鋼拉桿的缺點(diǎn)，并且可以形成生產(chǎn)線進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。采用一體式成形工藝所用坯料的直徑通常要與桿部直徑相同。一體式U型鋼拉桿成形工藝中，U型頭的成形采用反擠壓工藝，工藝所儲(chǔ)備的坯料稱為預(yù)制坯。以35型鋼拉桿U型頭預(yù)制坯為例，按照體積不變?cè)韺⑵鋼Q算成φ35 mm的棒料，棒料尺寸為φ35 mm×817 mm，高徑比達(dá)到23.3，使預(yù)制坯成形成為一種大高徑比鐓粗成形，這也是一個(gè)成形難點(diǎn)問(wèn)題。

對(duì)于大高徑比棒料的鐓粗工藝，許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。馮文杰等[6]采用縮徑-冷鐓成形工藝，對(duì)大高徑比凸臺(tái)成形進(jìn)行了探索;梁秀春[7]提出了一種鐓粗大高徑比鍛件方法，可對(duì)棒料進(jìn)行局部頭部鐓粗;陳衛(wèi)銘[8]提出了大長(zhǎng)徑比桿件的平鍛成形工藝，采用多道次鐓粗方式對(duì)棒料進(jìn)行了局部成形;陳孝學(xué)等[9]提出超大高徑比棒料連續(xù)鐓粗的成形工藝，設(shè)計(jì)帶有錐度的可拆卸凸凹模對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗。

本文基于一體式U型鋼拉桿成形工藝，針對(duì)35型鋼拉桿U型頭預(yù)制坯，在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)制坯成形工藝方案。運(yùn)用DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)坯料采用3道次加熱鐓粗聚料方式制備35型鋼拉桿U型頭預(yù)制坯的工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、載荷以及金屬流線分布情況，以期為35型鋼拉桿U型頭預(yù)制坯的鐓粗聚料工藝設(shè)計(jì)以及設(shè)備選擇提供參考[10]。

1?零件工藝分析

35型鋼拉桿U型接頭預(yù)制坯所用材料為35CrMo鋼，桿體直徑φ35 mm，需要制備的預(yù)制坯如圖2所示。根據(jù)體積不變?cè)碛?jì)算出所需坯料的尺寸為φ35 mm×817 mm，如圖3所示，其高徑比為23.3，需要進(jìn)行多次鐓粗成形。根據(jù)頂鐓第二規(guī)則[11]分析計(jì)算成形道次。頂鐓第二規(guī)則指的是坯料在凹模中聚料時(shí)，

當(dāng)D凹=1.5D0時(shí)，伸到模具外面的棒料長(zhǎng)度A≤D0，或者D凹=1.25D0，A≤1.25D0，如圖4所示，其中A為伸出模具的長(zhǎng)度，D凹為凹模的直徑[11]。通常情況下，當(dāng)l0/D0<10時(shí)，D凹=1.5D0;l0/D0>10時(shí)，D凹=1.25D0[11]。經(jīng)計(jì)算，對(duì)各道次相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總，見(jiàn)表1。

需要說(shuō)明的是：按照頂鐓第二規(guī)則，第3道次坯料尺寸是從φ55 mm×331 mm到φ82.5 mm×145 mm。但實(shí)際預(yù)制坯外形如圖2所示，其為非等直徑圓柱體，從寬厚比及最大寬度與根據(jù)頂鐓第二規(guī)則計(jì)算出的第3道次φ82.5mm進(jìn)行分析，根據(jù)有限元成形性模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，此道次可以實(shí)現(xiàn)成形。

為了后續(xù)模擬方便，在原坯料的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)40 mm，延長(zhǎng)的部分作為定位端，該定位端不參與變形，起到定位的作用，同時(shí)也可以將這部分視為鋼拉桿的桿體部分。預(yù)制坯生產(chǎn)工藝流程如下：下料→加熱→第1道次鐓粗聚料→加熱→第2道次鐓粗聚料→加熱→第3道次鐓粗聚料→預(yù)制坯。

2?有限元模型的建立及模擬參數(shù)的設(shè)置

2.1?有限元模型的建立

采用3道次加熱鐓粗聚料方式制備預(yù)制坯，為了盡可能模擬實(shí)際成形過(guò)程，將凹模設(shè)計(jì)成2個(gè)半模，并在凹模底端增加了一個(gè)墊板，防止坯料發(fā)生竄動(dòng)，各道次的模具及坯料的有限元幾何模型如圖5所示。

2.2?模擬參數(shù)的設(shè)置

為了驗(yàn)證預(yù)制坯成形的可行性，根據(jù)工藝實(shí)驗(yàn)條件，將坯料材料設(shè)置為35CrMo鋼，定義為塑性體，采用相對(duì)網(wǎng)格劃分方式將坯料劃分為32 000個(gè)單元，由于DEFORM-3D軟件自帶的材料庫(kù)中沒(méi)有35CrMo鋼材料，因此需要將35CrMo的材料模型（本構(gòu)方程）導(dǎo)入DEFORM軟件中[12]。上模和下模設(shè)置為材料庫(kù)中的AISI-H-13，定義為剛性體[13]。將坯料的始鍛溫度分別設(shè)置為1 050，1 100，1 150 ℃，定位端不參與變形，溫度設(shè)置為20 ℃，將沖頭速度分別設(shè)置為10，20，30 mm/s進(jìn)行模擬。鐓粗前需要對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，模具溫度設(shè)置為250 ℃，墊板溫度設(shè)置為20 ℃。坯料與模具的摩擦方式定義為剪切摩擦，摩擦系數(shù)為0.3。考慮到坯料和模具中存在傳熱現(xiàn)象，設(shè)置坯料與模具間的熱交換系數(shù)為11 N/（mm·s·℃）[14]。

3?數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1?溫度場(chǎng)分析

對(duì)于通過(guò)加熱鐓粗成形的零件來(lái)說(shuō)，合適的溫度和沖頭速度有利于成形的順利進(jìn)行。在不同工藝條件下鐓粗后制件的溫度最大值如圖6所示。由圖6可以看出：在一些工藝條件下，鐓粗后制件的溫度最大值會(huì)升高，這是因?yàn)樵谂髁乡叴志哿线^(guò)程中，坯料存在比較強(qiáng)烈的塑性變形且變形時(shí)間較短，產(chǎn)生大量變形熱，而且坯料會(huì)和模具發(fā)生摩擦，使坯料的溫度升高[15];還可以看出溫度最大值的變化情況，在同一始鍛溫度下，隨著沖頭速度的增加，第1道次溫度最大值上升最快，第3道次次之，第2道次最慢，其中第1道次變形量最大，與其他道次相比用時(shí)最長(zhǎng)，熱量散失較多。因此，當(dāng)沖頭速度增加時(shí)，鐓粗所用時(shí)間減少，散失熱量減少，制件溫度升高。

通過(guò)對(duì)不同工藝條件下的溫度場(chǎng)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果大致相同，以始鍛溫度為1 150 ℃、沖頭速度為20 mm/s溫度場(chǎng)為例進(jìn)行展示，如圖7所示。從圖7觀察到制件內(nèi)部溫度的分布情況，第1道次鐓粗結(jié)束后，制件內(nèi)部溫度由上而下逐漸升高，最高溫度出現(xiàn)在制件的靠下部分。這是由于在變形過(guò)程中坯料上端首先完成變形，坯料與模具接觸，坯料和模具存在溫度差，發(fā)生了熱傳遞，傳遞走了一部分熱量，使溫度降低，而坯料下端成形后與模具接觸時(shí)間短，傳遞走的熱量少，溫度降低不明顯。在第2、第3道次鐓粗結(jié)束后，制件內(nèi)部溫度分布均勻，與模具接觸的部分溫度降低。這是由于坯料和模具存在溫度差，發(fā)生了熱傳遞，使溫度降低。通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)的分析，了解到溫度的變化情況，可以為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

3.2?應(yīng)力場(chǎng)分析

在不同工藝條件下，坯料鐓粗聚料時(shí)的應(yīng)力是不同的。圖8是不同工藝條件下制件的最大等效應(yīng)力情況。由圖8可以看出：第1道次的最大等效應(yīng)力值保持在550 MPa左右;第2道次最大等效應(yīng)力值變化幅度較大，最小值為766 MPa，最大值為1 250 MPa;第3道次最大等效應(yīng)力值在同一始鍛溫度下，隨著沖頭速度的增加而升高，最大等效應(yīng)力值為1 390 MPa。通過(guò)對(duì)不同工藝條件下的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果大致相同，以始鍛溫度為1 150 ℃、沖頭速度為30 mm/s條件下每道次鐓粗結(jié)束時(shí)等效應(yīng)力場(chǎng)分布情況進(jìn)行說(shuō)明，如圖9所示。結(jié)合圖8和圖9可以看出，制件上最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在定位端，鐓粗后制件內(nèi)部的等效應(yīng)力分布都比較均勻。分析最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的原因是坯料將型腔填滿后，制件底部仍受到?jīng)_頭帶來(lái)的擠壓力，使得定位端等效應(yīng)力增大。從整體來(lái)看，每道次鐓粗后的等效應(yīng)力分布比較均勻，可以制備出質(zhì)量良好的制件。

3.3?載荷分析

成形力是選擇成形設(shè)備的主要考慮依據(jù)，對(duì)不同工藝條件下的成形載荷進(jìn)行了分析。圖10是在不同工藝條件下每道次鐓粗時(shí)沖頭的最大載荷情況。由圖10可以看出，在每道次鐓粗時(shí)沖頭的最大載荷在不同工藝條件下不同，選擇沖頭載荷最小時(shí)的工藝條件作為各道次較佳的熱成形工藝參數(shù)。由圖10還可知，在始鍛溫度為1 150 ℃、沖頭速度為20 mm/s工藝條件下，第1道次沖頭載荷最小，為1 520 kN，故選擇該工藝參數(shù)作為第1道次的熱成形工藝參數(shù)。由圖10 b）和圖10 c）可以看出，第2道次鐓粗時(shí)沖頭的最大載荷隨沖頭速度的增加而下降。在圖10 a）中最大載荷值在沖頭速度為20 mm/s時(shí)最大，為2 990 kN，分析其原因是當(dāng)擠壓速度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，鐓粗產(chǎn)生的加工硬化大于軟化作用，材料變形困難，載荷增大[16]，在1 150 ℃、30 mm/s條件下載荷最大值僅為2 090 kN，故選擇該工藝條件作為第2道次的熱成形工藝參數(shù)。由圖10還可知，在不同始鍛溫度下，第3道次鐓粗時(shí)沖頭的最大載荷隨著沖頭速度的增加而下降，在1 100 ℃、20 mm/s下最大載荷值最小，為5 290 kN，故選擇該工藝條件作為第3道次的熱成形工藝參數(shù)。對(duì)比不同工藝條件下的載荷，得到了較佳的熱成形工藝參數(shù)：第1道次始鍛溫度為1 150 ℃、沖頭速度為20 mm/s，第2道次始鍛溫度為1 150 ℃、沖頭速度為30 mm/s，第3道次始鍛溫度為1 100 ℃、沖頭速度為20 mm/s。圖11是在較佳熱成形工藝參數(shù)下各道次沖頭的載荷情況，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，隨著沖頭向下運(yùn)動(dòng)，載荷逐漸增大，呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值。通過(guò)對(duì)各道次鐓粗時(shí)的載荷情況進(jìn)行分析，可以為各道次成形設(shè)備的選擇提供參考。

3.4?脹模力分析

在坯料鐓粗聚料過(guò)程中，坯料發(fā)生塑性變形時(shí)會(huì)對(duì)凹模型腔產(chǎn)生一定的脹模力。在鐓粗開(kāi)始時(shí)，坯料和凹模型腔接觸少，隨著坯料的變形，與凹模型腔的接觸面積逐漸增大，脹模力也隨之增大，在變形的最后階段脹模力達(dá)到最大[17]。為了避免出現(xiàn)脹?，F(xiàn)象，需要合模力大于脹模力，若合模力小于脹模力，則會(huì)出現(xiàn)脹模，且鐓粗后的制件會(huì)帶有飛邊，影響制件質(zhì)量。圖12是在較佳的熱成形工藝參數(shù)下各道次凹模受到的脹模力，凹模結(jié)構(gòu)為2個(gè)可分開(kāi)的半模，2個(gè)半模受到的脹模力大小及變化趨勢(shì)基本一致，以其中一個(gè)半模受到的脹膜力為例進(jìn)行分析。由圖12可以看出，各道次凹模受到的最大脹模力分別為15 800，11 300，11 500 kN。由最大脹模力數(shù)據(jù)可知，最大脹模力過(guò)大，對(duì)成形設(shè)備要求高，因此提出如下解決方法：坯料在凹模中處于即將填充滿的狀態(tài)時(shí)鐓粗結(jié)束，可以大大減小凹模受到的脹模力，同時(shí)確保不影響后續(xù)工序。圖13是采用該方法模擬得到的各道次凹模受到的脹模力曲線圖，可以得到各道次凹模受到的最大脹模力分別為5 870，6 710，8 830 kN，脹模力大大減小，更便于選擇每道次所用的成形設(shè)備。

3.5?金屬流線分析

將加熱后的金屬材料進(jìn)行鐓粗或擠壓時(shí)，金屬材料會(huì)存在塑性流動(dòng)，金屬材料內(nèi)部的組織會(huì)呈現(xiàn)方向性，稱之為金屬流線[18]。通過(guò)觀察金屬流線的情況，對(duì)采用3道次加熱鐓粗聚料方式制備預(yù)制坯的成形性進(jìn)行了分析。圖14是在較佳的熱成形工藝參數(shù)條件下，各道次鐓粗前后金屬流線的分布情況。為了使鐓粗件具有良好的力學(xué)性能，應(yīng)保證金屬流線分布合理，無(wú)交叉、斷裂、急劇彎折等情況[19-21]。圖14 a）和圖14 b）為第1道次、第2道次鐓粗前后的金屬流線分布情況。通過(guò)觀察可以看到，當(dāng)鐓粗完成后，變形部分的金屬流線沒(méi)有出現(xiàn)交叉、斷裂等情況。由圖14 c）可以看出，在第3道次鐓粗聚料結(jié)束后，坯料的金屬流線發(fā)生了彎曲，但并未出現(xiàn)交叉、斷裂等缺陷?？傮w來(lái)看，各道次鐓粗聚料后金屬流線分布合理，滿足了鐓粗件良好的力學(xué)性能要求。

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