金屬穿線軟管成形新工藝研究
2016-3-9 14:42:30點(diǎn)擊:
1、概述
常規(guī)的管接頭加工工藝,由于材料利用率低、能耗大、生產(chǎn)效率低已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)要求。冷鍛作為一種耗材少、效率高、性能優(yōu)越的少無切削加工工藝,近年來在精密塑性成形中得到迅猛發(fā)展。
精密塑性成形得到的制件,要有較高的尺寸精度和表面光潔度,無需再經(jīng)加工或只有很少部位需要磨削、電解或化學(xué)加工等精加工,就能裝配到機(jī)器上。它不僅能獲得表面質(zhì)量好、機(jī)械加工余量少和尺寸精度高的制件,而且更能提高材料利用率,并使零件輪廓的金屬流線合理分布,提高零件的載荷能力。目前一般模鍛件能達(dá)到的尺寸精度為±0.1~±0.25mm,而精鍛成形一般為±0.05mm。
2、零件工藝性分析
本文研究的不銹鋼接頭體零件件屬于管接頭零件,來源于河北圣雪葡萄糖廠,該零件材料為,中部為一六方形,上下為圓柱,中間為通孔,外型復(fù)雜,給加工帶來了一定的難度。該零件廣泛應(yīng)用于壓力管道的連接,由于該零件工作環(huán)境惡劣,需受較大的壓力及腐蝕。目前采用型材切削加工、鑄造后機(jī)械加工,切削加工后焊接這三種制造方法生產(chǎn)。由于鑄造件缺陷較多、廢品率高、力學(xué)性能差,無法滿足零件的工作要求,已逐漸淘汰;現(xiàn)主要采用型材切削加工和分段切削加工后焊接的方法來生產(chǎn),生產(chǎn)效率低,材料浪費(fèi)率高。因此,尋求一種適應(yīng)接頭體零件生產(chǎn)的新方法,采用具有材料消耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)的新工藝,將會(huì)獲得十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
本文擬采用鐓擠結(jié)合的復(fù)合成形工藝來成形此類管接頭零件。鐓擠能否成形主要取決于合適的工藝設(shè)計(jì)。對(duì)于任何鐓擠件,其變形工序主要取決于零件的復(fù)雜程度、材料成形性能和變形程度。由于接頭體零件的外部是復(fù)雜形狀的組合,變形程度大,由于該零件外形為中間通孔,坯料的外形可分為棒料及管料兩大類進(jìn)行討論。在接頭體零件的鐓擠變形過程中可劃分為3個(gè)階段;反擠階段(棒料有,管料無此階段),鐓粗階段、六方型腔充滿階段。
反擠階段:從凸模與坯料端面接觸時(shí)開始,此階段變形體高度增加,坯料部分沿徑向向外流動(dòng)的同時(shí)另一部分向凸模運(yùn)動(dòng)相反方向流動(dòng)。
鐓粗階段:從凸模接觸時(shí)開始,到坯料外表面與模腔側(cè)壁接觸時(shí)為止。此階段變形體高度減小,材料沿徑向向外流動(dòng),變形特征為鐓粗。
六方型腔充滿階段:從鐓粗階段結(jié)束時(shí)開始,到全部充滿型腔為止。此階段的材料流動(dòng)情況最復(fù)雜,可將其劃分為兩個(gè)小階段來進(jìn)行研究和分析。將六方型腔充滿階段看成是由型腔主體與六方角部組成的話,則型腔主體部分充滿過程為第一階段,角部的充滿過程為第二階段。最難充滿型腔概念的確定,為型腔充滿階段確定了完整的研究對(duì)象:因?yàn)樽铍y充滿型腔也是最后充滿型腔,其充滿過程貫穿型腔充滿階段全程。
3、鍛擠成形數(shù)值模擬分析和試驗(yàn)研究
在金屬穿線軟管鐓擠復(fù)合工藝的工藝分析中,我們采用了DEFORM軟件進(jìn)行成形過程的模擬。DEFORM作為一個(gè)強(qiáng)大的體積成形軟件,能夠?qū)﹀懺旌推渌尚芜^程進(jìn)行模擬,如鑄造、焊接、機(jī)加過程和熱處理,并能進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)估和優(yōu)化。對(duì)于不銹鋼接頭體零件鐓擠成形而言,為了降低不銹鋼接頭體零件的鐓擠力,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)已確定不能更改的情況下,只能從工藝設(shè)計(jì)的角度,采取最優(yōu)工藝參數(shù)來降低鐓擠力。研究表明,坯料的形狀,硬度、摩擦、斷面縮減率、模角2a等因素對(duì)接頭體零件的鐓擠力都有影響。
本文利用DEFORM軟件對(duì)金屬穿線軟管成形進(jìn)行三維剛塑性有限元的數(shù)值模擬,模擬的初始條件:
1)坯料材料:AISI-321,由于DEFORM-3D自帶材料庫中包含此材料數(shù)據(jù),可直接調(diào)用。
2)鐓擠溫度:在鐓擠變形中,采用冷鐓機(jī)成形,設(shè)定溫度為室溫20℃,
3)凸模進(jìn)給速度:由于實(shí)驗(yàn)采用YT32-315四柱液壓機(jī),該液壓機(jī)下壓速度為5mm/s,故在數(shù)值模擬計(jì)算中選取凸模進(jìn)給速度為5mm/s;
4)摩擦條件:剪切摩擦,取摩擦因子0.08、0.12和0.30分別討論;
5)模擬步長:在不銹鋼接頭體零件鐓擠的數(shù)值模擬中,數(shù)值模擬步長是決定數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)間的兩個(gè)重要因素之一。在DEFORM-3D的數(shù)值模擬中,一般認(rèn)為模擬計(jì)算中步長為最小單元體長度的1/3~1/5,網(wǎng)格劃分后,經(jīng)測(cè)量后確定0.1mm/次。
6)在模擬計(jì)算中,根據(jù)金屬穿線軟管鐓擠變形的特點(diǎn),設(shè)定凸模向下運(yùn)動(dòng),凹模固定不動(dòng)。
7)管接頭體零件具有循環(huán)對(duì)稱性,可將計(jì)算模型簡化為整體模型的1/2,即取坯料的I/2建模。這種簡化既能節(jié)省計(jì)算時(shí)間,又能直觀的觀察坯料的變形情況。
在數(shù)值模擬已得的結(jié)果上,我們利用試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。它不僅用來檢驗(yàn)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,而且,實(shí)驗(yàn)研究本身又能夠定量分析塑性成形應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)等的一種行之有效的方法。
實(shí)驗(yàn)采用天津鍛壓設(shè)備廠生產(chǎn)的YT32-315四柱液壓壓力機(jī),模具鋼選用高速鋼,這是因?yàn)楦咚黉摼哂懈叩挠捕龋t硬性和耐磨性,同時(shí)兼有適當(dāng)?shù)捻g性及可磨削性,高速鋼在冷擠壓模具中的應(yīng)用比重越來越高,且以570~600℃回火使用的w18Cr4V、W6M05Cr4V、6W6M05Cr4V鋼為主流。
在與數(shù)值模擬相同的邊界條件下進(jìn)行鐓擠試驗(yàn),得到制件,如圖所示
圖1 鐓擠制件
4、結(jié)論
本文對(duì)不銹鋼接頭體零件的鐓擠成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:
1)通過分析不銹鋼接頭體零件形狀尺寸特點(diǎn),采用數(shù)值模擬技術(shù)與工藝實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,確定了不銹鋼接頭體零件鐓擠成形的可行性。
2)在對(duì)不銹鋼接頭體零件鐓擠成形過程數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上,確定了鐓擠成形方案和模具結(jié)構(gòu),進(jìn)行了工藝性實(shí)驗(yàn)分析,初步獲得了成形工藝參數(shù)并成形出復(fù)合尺寸要求的零件,所提出成形方案和模具結(jié)構(gòu)可以完成不銹鋼接頭體零件鐓擠工藝過程。
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