基于DEFORM的等徑三通浮動式鍛造工藝分析

周敬開

摘要：本文針對等徑三通傳統(tǒng)的液壓脹形工藝成品存在的背部皺折、凹陷等缺陷，提出了等徑三通浮動式鍛造工藝。運用UG-NX軟件建立鍛造模擬過程中所需構(gòu)件的模型，并運用DEFORM-3D軟件對等徑三通的浮動鍛造工藝過程進(jìn)行模擬，分析材料變化情況。較傳統(tǒng)工藝相比，通過此工藝生產(chǎn)的等徑三通具有更好的力學(xué)性能，金屬利用率更高，成品外觀更加完整，為三通的制作提供一種新的發(fā)展思路。

Abstract： In this paper， aiming at the defects such as back wrinkle and depression in the finished products of the traditional hydraulic bulging process of three way pipe， a floating forging process of three way pipe is proposed. UG-NX software was used to establish the model of the components needed in the forging simulation process， and DEFORM-3D software was used to simulate the floating forging process of the three way pipe， and the material changes were analyzed. Compared with the traditional process， the three way pipe produced by this process has better mechanical properties， higher metal utilization rate and more complete appearance of the finished product， which provides a new development idea for the production of three way pipe.

關(guān)鍵詞：DEFORM-3D;等徑三通;浮動式鍛造

0? 引言

浮動式鍛造工藝是一項適用于管接頭、十字軸等枝芽類鍛件產(chǎn)品的精密塑性成形技術(shù)。該技術(shù)通過一次成形便可獲得形狀較為復(fù)雜的精密成形件[1]，對于提高金屬利用率和生產(chǎn)效率、降低單件制作成本具有一定的優(yōu)越性。本文基于DEFORM-3D仿真軟件對三通的浮動鍛造過程進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)實驗結(jié)果，得出最適合的產(chǎn)品加工參數(shù)。本文所采用的成形工藝較傳統(tǒng)工藝相比具有產(chǎn)品質(zhì)量較高、材料消耗較低、可大批量生產(chǎn)的特點。

1? 三通工藝性分析

1.1 三通生產(chǎn)工藝現(xiàn)存在問題

目前，大批量無縫三通的生產(chǎn)一般采用液壓脹形工藝[2]。但是，由于管段表面的不光潔或成型中保壓不好的問題易導(dǎo)致成品產(chǎn)生背部皺折;內(nèi)壓過低則又易導(dǎo)致凹陷、主管壁厚過分增加等問題，這對三通的成品率有很大影響。

1.2 零件工藝性分析

1.2.1 結(jié)構(gòu)工藝性

本文針對公稱通徑為125mm的常用三通進(jìn)行研究。并在三通的三個管口處均做出臺階，防止坯料體積過大導(dǎo)致零件成形后期擠壓模膛，造成損壞模具。零件如圖1所示。

1.2.2 生產(chǎn)工藝性

在選用材料上，該零件材料為15號鋼，該鋼延展性、可塑性較好，且產(chǎn)量較大，適合鍛造成管材。在實際生產(chǎn)方面，鍛造后零件表面沒有大的缺口、裂紋、飛邊，其鍛造表面的粗糙度達(dá)Ra12.5。

2? 模型的建立

本設(shè)計通過UG-NX軟件對X、Y向沖頭、上、下凹模和規(guī)定尺寸坯料進(jìn)行三維建模，并設(shè)定Y向沖頭長度短于X向沖頭長度，保證在兩向沖頭同時起步時，X向沖頭與坯料完成一定接觸和擠壓后，Y向沖頭再與坯料相接觸，共同配合完成浮動鍛造過程。再將模型導(dǎo)入到DEFORM-3D中，如圖2所示。擠壓坯料選擇AISI-1015，網(wǎng)格劃分32000份，坯料鍛前溫度為1200℃，摩擦系數(shù)為0.3，X向沖頭速度為204mm/s，Y向沖頭速度為150mm/s。

3? 仿真結(jié)果分析

3.1 變形溫度分析

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的指引，碳鋼的塑性隨溫度的升高而增加，但不是簡單的線性上升：在經(jīng)過800～950℃使塑性稍有下降的熱脆區(qū)后，碳鋼在1200℃左右達(dá)到最佳塑性區(qū)，在超過1250℃后又處于使塑性急劇下降的高溫脆區(qū)，所以需在950～1250℃之間選擇鍛前溫度，故將鍛前溫度為1200℃。

但在模擬時發(fā)現(xiàn)，在此溫度下Y向管口邊緣處局部溫度達(dá)1420℃，發(fā)生局部液化現(xiàn)象。這將使Y向端口處強度降低，影響其表面質(zhì)量，需對其進(jìn)行優(yōu)化。降低鍛前溫度至1000℃，改善摩擦系數(shù)至0.12，將X向沖頭運行速度調(diào)至136mm/s，Y向沖頭運行速度調(diào)至100mm/s后，局部液化現(xiàn)象消失，如圖3所示。

由此可以看出，在成形過程中，鍛件與模具之間的摩擦力做功會對零件的成形溫度產(chǎn)生較大影響，摩擦力做功越大，對與模具接觸的金屬溫度的升高作用越強。因此，在生產(chǎn)過程中應(yīng)對工作端面和模膛進(jìn)行精磨、拋光等表面加工處理并改善潤滑條件使鍛造時的摩擦系數(shù)減小至0.12。這種方式還可以防止由于沖頭與坯料間的摩擦導(dǎo)致成形件邊緣處的金屬因摩擦力作用而隨沖頭向三通內(nèi)部流動，使得三通端口處發(fā)生缺肉的現(xiàn)象。因此，為保證加工精度、且為模具提供保護涂層，應(yīng)選擇含有石墨、二硫化鉬的固體潤滑劑[3]。此外，沖頭的運行速度過大也會使金屬流動處于劇烈狀態(tài)。減慢沖頭的運行速度，能夠使坯料內(nèi)部金屬流動相對平緩，以減弱成形過程中金屬流動的劇烈程度，進(jìn)而降低局部溫度。

3.2 載荷分析

由于所選坯料為直徑略小于最終三通外徑的R65標(biāo)準(zhǔn)棒材，所以在變形之初，X向沖頭與坯料接觸后產(chǎn)生擠壓使坯料向中心和Y向模膛方向流動，至0.38s時，坯料與凹模接觸后，產(chǎn)生了抵抗凹模合模的力，使凹模載荷增加;在0.63s時，Y向沖頭對坯料進(jìn)行擠壓，部分坯料由Y向邊緣處向中心連皮處聚集，其余部分沿Y向沖頭表面向外流動，凹模載荷發(fā)生明顯變化;在0.88s后，變形即將結(jié)束，沖頭繼續(xù)向內(nèi)運動擠壓連皮，部分中心處金屬向四周流動，反向擠壓凹模，凹模載荷劇烈變化;至0.9s時，由于凹模邊緣對金屬流動的限制作用，部分金屬開始擠壓凹模與沖頭，此時坯料被擠壓至規(guī)定形狀，金屬停止流動，抵抗合模的力減小，載荷產(chǎn)生微量下降，標(biāo)志鍛造完成。載荷與時間的關(guān)系曲線如圖4所示。

4? 結(jié)論

本文將三通生產(chǎn)與浮動式鍛造工藝相結(jié)合，通過對鍛造溫度、沖頭加載速度、摩擦系數(shù)等參數(shù)的調(diào)整，保證等徑三通浮動式鍛造工藝較傳統(tǒng)工藝有成品外觀更加完整、材料利用率更高的優(yōu)越性，為三通的生產(chǎn)提供一種新思路。根據(jù)Deform-3D模擬結(jié)果，對鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果如下：

①為保證成品件完好且具有良好的組織和力學(xué)性能，坯料鍛前溫度應(yīng)保持在1000℃及以下;

②在生產(chǎn)過程中應(yīng)保證鍛造摩擦系數(shù)保持在0.12，降低摩擦力做功對變形溫度的影響;

③通過模擬分析發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中，X向、Y向沖頭運行速度應(yīng)控制在為136mm/s與100mm/s附近，此時鍛件質(zhì)量、鍛后溫度及金屬流動狀態(tài)最佳。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒昌平.浮動鍛造成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].機床與液壓，2005（09）：3-5.

[2]郭順顯.無縫三通脹形工藝的缺陷與預(yù)防[J].機械制造，1994（07）：27.

[3]俞漢清，陳金德.塑性成型原理[M].機械工業(yè)出版社，1999：46-47，155.