雙孔殼體正反擠壓成形工藝

趙志翔,田曉柯,唐瑤瑤

(1.西南技術工程研究所,重慶400039;2.河南中光學集團有限公司,南陽473003)

雙孔殼體正反擠壓成形工藝

趙志翔1,田曉柯2,唐瑤瑤1

(1.西南技術工程研究所,重慶400039;2.河南中光學集團有限公司,南陽473003)

目的 設計雙孔殼體成形工藝方案,生產出合格產品。方法 運用數值仿真方法,模擬雙孔殼體成形過程,分析其成形趨勢、應變圖和應力圖等,為工藝設計提供理論支撐。結果 通過模擬仿真計算,優化和驗證了雙孔殼體擠壓工藝方案的可行性和合理性。結論 通過工藝方案分析、有限元模擬計算,確定了雙孔殼體最終成形方案,并且制作出了合格的產品。

等溫成形;正反雙孔;正反擠壓;橫向剪斷

雙孔殼體是某產品上的主要零件之一,與其他回轉體主要不同點在于該零件具有上下兩個孔的結構。在擠壓過程中,上孔和下孔的金屬流動方向相反,從而造成金屬流線不規律且不可控,容易形成流線紊亂、渦流及穿流等缺陷。雙孔殼體原工藝采用機械加工的方法,原材料消耗大、加工效率低下、金屬流線不連續且制造成本高,為了保證產品優質、優量、高效的批量化生產,綜合考慮分析,決定現采用雙孔正反同時擠壓的精密成形工藝,一次性成形,節約材料近60%,提高工作效率80%。

1 成形工藝方案分析

圖1為雙孔殼體鍛件圖。在擠壓成形過程中,雙孔殼體技術要求圓弧面和4個凸臺達到非加工面標準,由于4個凸臺均勻分布在圓弧面上,而且處于成形的最后反擠壓充形階段,是否能夠飽滿充型,還有待論證。雙孔殼體采用2A14超硬鋁作為材料,該材料是機械性能較好的一種超硬鋁,是一種難變形鋁合金。根據經驗分析,雙孔殼體的成形難點在于鐓壓下孔,金屬正向流動的同時,又對上孔產生反擠壓力,使得下部金屬的正向流動和上部金屬的反向流動產生在同一時間。金屬流動產生相互作用力,形成不規則擠壓力,容易產生流線紊亂、渦流等缺陷。

圖1 雙孔殼體鍛件圖Fig.1 Forging drawing of double-hole shell

1.1 工藝方案設計

考慮到產品雙孔、喇叭口、4凸臺的特點,坯料在成形過程中,要同時進行正反擠壓,坯料設計直接影響產品是否能夠順利成形。設計了3種形狀的坯料,以對比其成形效果,如圖2所示。

圖2 坯料形狀設計Fig.2 Billets design

雙孔殼體擠壓模部分模具設計如圖3所示,其中凹模采用二層組合凹模,組合凹模的過盈量取0.5%,配合斜度為1.5°,凸模的工作尺寸按照如下公式計算:

其中:dT為凸模尺寸;d為產品內孔尺寸;Δ為產品公差;δ為凸模的公差,δ=(1/5～1/10)Δ。

圖3 雙孔殼體模具設計Fig.3 The die design of double-hole shell

1.2 數值模擬分析

為了保證工藝方案的可實施性,對不同坯料進行仿真計算,通過數值有限元方法,模擬不同邊界條件狀況。分析雙孔殼體的成形過程,了解成形過程中的缺陷,初步計算成形力、損傷和應力應變等參數,為工藝方案設計提供理論支撐,基本參數設置如下:摩擦因子為0.02,網格數量為40 000,凸模速度為0.5 mm/s,坯料溫度為420℃,模具溫度為400℃,步長為420。

1.2.1 方案1:φ120 mm×35mm圓柱坯料模擬方案

φ120 mm×35 mm圓柱坯料成形過程如圖4所示。

φ120 mm×35 mm圓柱坯料在模擬過程中,模擬步數為190步時,如圖4c圓圈處,金屬接觸到模具面,金屬流線出現紊亂;模擬步數達到290步時,如圖4d圓圈處,金屬出現橫向剪斷,工藝方案不可行。

1.2.2 方案2:φ102 mm×40 mm圓餅坯料模擬方案

φ102 mm×40 mm圓餅坯料成形過程如圖5所示。

φ102 mm×40 mm圓餅坯料成形過程與φ120 mm ×35 mm圓柱坯料成形過程對比,在模擬步數為190步時,如圖5c,金屬沒有出現紊流;在模擬步數為290步時,如圖5d,金屬沒有出現橫向剪斷,流線正常;在模擬步數為350步時,金屬反向流動較快,如圖5e圓圈處,金屬提前反擠流動到凸模面,形成鐓擠,擠壓力迅速上升;在模擬步數為380步時,如圖5f圓圈處,金屬流動阻力增大;在模擬步數為410步時,如圖5g,金屬流動阻力持續增大,金屬流動性變差;在模擬步數為440步時,金屬流動阻力達到極限,向下流動受阻,只有繼續反擠壓流動,如圖5h圓圈處,形成燜壓,擠壓力急劇上升,工藝方案不可行。

1.2.3 方案3:φ80 mm×73 mm圓柱坯料模擬方案

φ80 mm×73 mm圓柱坯料成形過程如圖6所示。

φ80 mm×73 mm圓柱坯料整個成形過程中,金屬流線合理,在圖5c所示第210步,沒有出現方案1中橫向剪斷的現象;在圖5d所示第360步,也沒有出現方案2中金屬反向流動過快,提前形成鐓壓,增加正向金屬流動阻力的情況;在圖5e所示第420步,金屬正向流動接觸到模具底部時,金屬頂部正好形成燜壓充形,鐓出4個凸臺,工藝方案可行。圖7為方案3等效應變、等效應力和等效應變率。

圖4 φ120 mm×35 mm圓柱坯料成形過程Fig.4 Forming process of cylindrical billet(φ120 mm×35 mm)

圖5 φ102 mm×40 mm圓柱坯料成形過程Fig.5 Forming process of cylindrical billet(φ102 mm×40 mm)

經過模擬分析,選擇方案3作為工藝設計參考方案。

圖6 φ80 mm×73 mm圓柱坯料成形過程Fig.6 Forming process of cylindrical billet(φ80 mm×73 mm)

圖7 等效應變、等效應力和等效應變率Fig.7 Equivalent strain,stress,and strain rate

2 工藝試驗驗證

工藝方案設計完成后,通過工藝試驗,對雙孔筒體進行生產試制。

試驗設備選擇:YX-32型油壓機,最大公稱壓力8000 kN;CL-2A-132型電阻爐(模具加熱);RX3-45-9型電阻爐(坯料加熱)。

工藝方案制定:下料→車坯→加熱→潤滑→擠壓→清理→熱處理→精加工。

在本次試驗中工藝要點為正、反擠壓工序。為了使坯料變形均勻,坯料和模具保溫時間一定要充足。在擠壓前,坯料和模具潤滑一定要充分。擠壓時,壓力為18～22 MPa。

試驗結果如圖8、圖9所示,雙孔殼體正、反擠壓成形后充型飽滿,4個凸臺完全充滿,外表和內壁沒有出現折迭、裂紋等缺陷。通過對零件壁部、中部和凸臺等部位的微觀組織分析(如圖9所示),組織再結晶較為完全,經大變形破碎后,細小的晶粒分布均勻,縱向組織方向性明顯。表面噴砂后,經檢測,雙孔筒體的尺寸、表面質量等完全滿足產品的技術要求。

圖8 試制零件Fig.8 Displaying products

圖9 殼體各部位微觀組織(300×)Fig.9 Microstructure of different sites on the shell

3 結論

雙孔殼體是一種形狀不規整的類筒形零件,成形難點在于如何控制金屬流線。通過對該零件成形過程模擬和工藝參數分析,設計并優化出產品的成形工藝方案,通過工藝試驗論證,制造出合格產品,提高了材料利用率,降低了制造成本。雙孔殼體的成功試制,為類似復雜筒形零件的成形工藝設計提供了理論與實際的參考,意義重大。

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Form ing Process of Double-hole Shells by Direct-backward Extrusion

ZHAO Zhi-xiang1,TIAN Xiao-ke2,TANG Yao-yao1
(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute,Chongqing 400039,China; 2.Henan Costar Group Co.,Ltd.,Nanyang 473003,China)

The aim of the studywas to design a process of forming double-hole shells andmanufacturing qualified products.By numerically simulating the forming process of double-hole shells,the forming tendency,strain and stress diagrams were analyzed to provide a theoretical support for the process design.The viability and rationality of double-hole shells extrusion processwere optimized and verified by simulation and calculation.In conclusion,by process scheme analysis and finite element simulation and calculation,the final scheme for forming of double-hole shells was confirmed,and qualified products weremanufactured.

isothermal forming;direct-backward double holes;direct-backward extrusion;transverse shear

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.05.020

TG376.2

A

1674-6457(2015)05-0120-05

2015-07-30

趙志翔(1982—),男,重慶人,工程碩士,工程師,主要研究方向為材料成形與控制工程。