1引言镦粗工艺广泛应用于锻造生产中,其目的是使坯料的高度减小横截面积增大变形成为生产中所 要求的几何形状,同时提高制件的力学性能。但若在局部镦粗的工艺中镦粗高径比过大的圆柱体坯 料,则很容易产生弯曲、偏心、折叠甚至断裂等失稳现象。则需要一个系统的局部镦粗规则作为指 导,不然会造成大量的试模时间和材料的浪费,从而严重降低生产效率。目前常用的局部镦粗规则 存在如下两种:局部镦粗第一规则:当坯料局部镦粗长度与直径之比值L/D<ψ允许时,可将坯 料一次镦粗成任意形状而不产生缺陷。通常,ψ允许≤1·5~3·2。局部镦粗第二规则:当L /D>ψ允许时,坯料需多次在模具型腔内积聚,直至L/D<ψ允许<1>。以上规则为采用平 砧镦粗的情况,对大高径比坯料镦粗工序较复杂,工步多,若同时结合锥模镦粗,则由于模壁对工 件变形的约束作用能有效避免大高径比杆件在镦粗过程中失稳,整个的局部镦粗过程就可以减少工 步以提高生产效率。本文采用刚塑性有限元方法分析,对不同高径比的圆柱体坯料冷态下在不同的 模具中的局部镦粗进行三维动态模拟,并以此为依据,总结出局部镦粗规则,指导生产实践,提高 生产效率。2工艺模拟及相应结果2·1基于有限元法的参数设置有限元法应用于金属塑性成形过 程的数值模拟,成功地解决了塑性加工中的许多问题。在此局部镦粗成形过程中,坯料的弹性变形 量远远小于其塑性变形量,可忽略不记,因此本文应采用刚粘塑性有限元分析法,运用成形仿真模 拟软件DEFORM对试样进行局部镦粗模拟。由Pro/E软件生成锻件坯料的三维实体模型, 令坯料参加镦粗部分的高径比为ψ=L/D,其中L为有效镦粗长度,D为坯料直径,锥模半角为 α,ψmax为ψ的最大值。导入Deform软件后对坯料的主要参数选择为:材料为45钢, D=10mm;取坯料与模具之间的摩擦因子为m=0·12;加工温度为常温20℃;坯料网格 设置为四面体网格,密度为沿杆件长度方向每10mm段上1500个。模具形式分别选用以下4 种<2>且假设模具为刚性体,在加工过程中不变形,上模为主模,向下运动的速度设为3·5m m/s;取最小网格长度的1/3,即0·3mm作为上模每工步移动距离;运算采用Newto n-Raphson迭代法。这里对摩擦因子的选择作简单说明:Deform中默认的冷锻摩擦 因子为0·12,而在实际生产中因为摩擦因子越小,变形就越均匀<3>,所以如果润滑得当, m值完全可达到0·06~0·08左右,这里对m值分别为0·08和0·12两种情况下的镦 粗进行预先的一个调研模拟,得到的结果变形情况基本相同,故这里采用Deform默认的冷锻 因子,取值相对宽松,使模拟得到的结果能符合实际生产。2·2模拟结果分析(1)使用平砧两 端自由镦粗如图1所示。由于砧面与锻件间摩擦的影响,锻件内变形不均匀,与砧面接触区形成刚 性区,为使缺陷焊合,应使该区的等效应变ε尽量大<4>,模拟得到不产生镦粗弯曲失稳的最大 高径比为ψmax=2·5,若坯料原始有效高径比大于此值,镦粗到一定程度,锻件即纵弯折叠,变形再大时,还可能因切向应力过高而导致心部产生水平层裂<4>。图1两端自由镦粗Fig·1Twoends free upsetting(2)一端固定一端自由镦粗如图2所示,经不同高径比的毛坯模拟后可得ψm ax=2·8,若坯料原始有效高径比大于此值,锻件会产生偏心,使镦粗过程的中心线偏离坯料 的轴线,并且伴随折叠现象的产生,折叠在工作时会产生应力集中,进而成为疲劳源,危害性较大 <5>。(3)两端固定的镦粗如图3a所示。由于上模为运动主模,所以上模对工件的夹持部分 长度对成形质量是有影响的,本文模拟了夹持部分长度分别为5mm、10mm、20mm的镦锻 状态,如图3b、c和图3d,对比以下结果,发现夹持太少会有缺陷产生,会出现一定偏心和折 叠;夹持太多也易产生偏心,且意义不大;夹持部分为一个直径长度左右则基图2一端固定一端自由的镦粗Fig·2Upsettingwith one end free and another clamped本合适,变形较均匀,可以此为参考。在这种情况下,则得到ψmax=3·0,同 上,若坯料原始有效高径比大于此高径比,锻件会产生偏心,使镦粗过程的中心线偏离坯料的轴线 ,并且伴随折叠现象的产生。图3两端固定及夹持不同高度试样的镦粗状态(b)(c)(d)Fig·3Upsettingwith two ends clamped,upsettingresults with difference length clamped by upperdie图4一端为锥模一端夹持的镦粗Fig·4Upsetting with two ends clamped with upperdie being cone(4)一端是角度为α的锥模一端夹持的镦粗如图4所示,由模拟得到当模具锥角α=5° 时,ψmax=6·0;当α=10°时,ψmax=4·3;当α=15°时,ψmax=3· 5;当α=20°时,ψmax=3·4。可见锥模角度α大小会影响失稳状态,α较小则增加锻 件的抗失稳能力。若对应于每副模具的坯料原始有效高径比大于相应的ψmax值,锻件会产生扭 曲和折叠,造成坯料内部应力应变分布不均匀,对锻件质量很不利,并且还会产生金属在模膛中分 布不规则的现象,即部分模膛无法充满而另一部分模膛中金属过多向分模面流动,导致成形力的急 剧增大,产生较大偏载,损坏模具及设备,对生产危害很大<1>。对以上即将产生失稳及缺陷的 锻件的极限高径比ψmax值总结列表如下,见表1。表1各种镦锻形式下的极限高径比Table1Variousli mited ratio of height to diameter fromeveryupsetting model镦锻形式α(°)ψmax两端自由镦粗上模为自由端面下模夹持两端均夹持2·52· 83·0两端夹持且角度为α的锥模203·4153·5104·356·0由此可见,在此镦 粗规则下,当α=20°时,ψmax值3·4已经接近两端只夹持时的ψmax值3·0了,所 以这里不用再模拟α≥20°的情况了,坯料在α=20°的锥模里成形后可选用任意模具进行终 锻,根据锻件所需的成形形状合理选用平模和锥模。2·3对弯曲偏移失稳的研究为了更好地描述 工件压缩过程中的失稳弯曲或偏移,如图5所示,这里也可用△来表示工件镦粗前端部中心与工件 弯曲或偏移后中部中心在水平方向的距离与工件直径D的比值,它代表了工件的弯曲程度或偏移程 度,用δ表示,δ=Δ/D,即δ也可作为失稳的判据<3>。图5工件的弯曲或偏移程度Fig·5Bendingand offsetting of workpiece前面讲到的4种情况,当ψ>ψmax时,对产生失稳及缺陷的锻件偏心或弯曲 的临界状态如下图6所示,图6a为两端自由镦粗时,图6b为一端自由一端被夹紧时,图6c为 两端均被夹紧时,图6d为α=5°时,图6e为α=10°时,图6f为α=15°时,图6g 为α=20°时。此时再继续镦下去就会出现折叠、扭曲、应力应变分布不均等现象,对锻件质量 不利。分别对图6中各个处于临界状态的锻件进行测量,可列表2,得到当平模镦粗时,δ≈0· 14左右,即可取偏移量大于0·14时工件就会出现失稳;当锥模镦粗时,δ≈0·20左右,即可取偏移量大于0·20图6各种情况下产生失稳及缺陷锻件的临界状态Fig·6Criticalstates of instability of every upsetting model时工件就会出现失稳。表2锻件临界状态的弯曲偏移量Table2Offsets and bending capacities of workpiecesin critical states临界状态δδ平均(a)0·15(b)0·12(c)0·130·14(d)0· 21(e)0·21(f)0·17(g)0·190·203镦粗规则的应用实例镦锻时应该在 此镦粗规则下限制锻件变形量,使之可以在不同模具中进行多工步成形从而避免折叠和金属的不规 则分布。当原始坯料有效镦粗高径比ψ0≥6·0时,则需要在模具内进行多次镦粗聚料。首次镦 粗时,在此规则下合理利用锥模,开始会产生一些弯曲,但与模壁接触ψ0≥13后被控制住,不 致形成折叠;然后根据各道成形的高径比来设计后续模具继续进行聚料;如此逐步进行,直至最终 成形。例如气阀,其ψ0≥13,则需要5~6个工步才能完成<5>。再例如本实验用伞齿,D =6mm的圆柱体坯料原始长度为96mm,有效镦粗部分的高径比为ψ0=6,根据生产需要下 模夹持54mm,上模夹持6mm,中间变形部分长度L=36mm,如图7所示。镦粗前用磷酸 盐和硬脂酸纳对坯料进行磷皂化处理,充分润滑,使其摩擦因子可达0·05~0·10之间<4 >。首先选择α=5°的锥模进行第一次聚料,得到如图7a所示的坯料,此时坯料的平均直径为 d=(D+D′)/2=13,而变形高度变为L1=34mm,由此时的高径比L1/d≈2· 7,可选择第二次聚料的模具为α≥20°的锥模或者平模均可,这里伞齿在镦齿图7伞齿坯镦粗第二工步聚料过程Fig·7Secondupsetting step of umbrella gear之前最终成型为锥形,故直接利用最终成型模具α=20°的锥模进行最后一步的聚料,如 图7b所示,图7c为镦锻完成后的工件,图8a即为伞齿在镦齿前的实图8伞齿实例照片Fig·8Umbrellagear sample before machining(a),semi-manufactured umbrella gear with bri mafter machining(b)验样品照片,图8b则为镦齿后带飞边的半成品。若用δ作为
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