挤压成型和锻造成型工艺(接套体零件热挤压成形研究)

Posted 2023-05-27

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挤压成型和锻造成型工艺(接套体零件热挤压成形研究)

成形工艺分析

接套体是某枪械中的重要部件（如图1所示），其质量对枪械的整体性能影响非常大。该零件形状特殊，底座为三面直壁组成，高宽比很大，中间为通孔，孔壁很薄，这些都使得成形难度很高。若采用闭式挤压工艺，对于成形深筒形的件并不擅长，并且实际生产中还面临脱模困难的问题。传统的接套体成形方案采用开式模锻先锻造出两端无孔、底座填实的锻件，然后通过机加工进行生产。考虑到所用材料为30CrMnMoTiA（803A）（室温力学性能如表1所示），这种材料的机加工性能差，所以这种工艺步骤复杂，材料的利用率低，大量的机加工破坏金属流线，很难满足零件的性能要求。

图1 接套体零件示意图

为了克服传统工艺的不足，采用多向模锻工艺。多向模锻工艺可以锻出形状复杂、尺寸精确的中空锻件，且锻件最大限度的接近零件的形状尺寸，显著提高材料利用率，降低成本。虽然这种工艺成形步骤少，但一道次成形非常复杂，为了满足成形质量和模具寿命的要求，在实际生产前采用有限元模拟对成形过程进行仿真分析，避免缺陷的产生，设计合理的生产工艺方案。

模拟分析

模型建立和模拟设置

采用UG10.0软件对接套体零件及成形模具进行三维造型，将UG造型的坯料及模具模型导入到DEFORM-3D中进行成形模拟。根据零件对称的特点，选择二分之一的坯料进行模拟，既能保证模拟结果的有效性，又减少了计算量。坯料温度设置为700℃，模具温度设置为20℃，摩擦类型为剪应力摩擦，摩擦因子设为0.12，坯料共划分20000个单元网格，几何模型装配图如图2所示。

表1 803A材料室温力学性能

图2 有限元模型装配剖面图

数值模拟结果分析

图3为接套体成形过程中金属流动规律图，从金属流动来看，可以将成形过程分为两个阶段。图3a为左腔体成形阶段，两个水平冲头对向运动并与坯料发生接触，坯料整体向左移动，坯料开始发生塑性变形。此时金属在冲头作用下发生反挤，模腔内金属流向与冲头挤压方向相反，该阶段金属除了沿水平方向流动，还优先流入左侧大直径腔体中，整个过程中的金属流速最大仅有7.07mm/sec。图3b为右腔体与下腔体成形阶段，左右冲头共同发生作用，驱使金属向下流动进入垂直型腔。从图中看出金属向下流动的速度很快，是因为左右冲头共同作用推动金属向下运动。此时金属的变形主要发生在中下区域，左右冲头同时参与反向和径向两个挤压过程。成形后期坯料整体流动速度趋于接近，金属填充较为饱满，成形趋于终点。

图3 成形过程中的金属流动变化图

图4是接套体零件成形结束时的点接触示意图，从点接触情况可以看出零件底座金属填充饱满，从表面成形质量可以看出，除左右两端面和底座仅有少许飞边，两侧模膛和表面成形良好。

图4 成形效果图（点接触）

图5（a）为左右冲头随变形时间的载荷变化曲线图，结合以上对成形过程中的金属流动速度的分析，左右冲头挤压力在左腔体成形阶段保持平衡，当金属开始往底部腔体中流动时，左右冲头挤压力明显增大，说明这种窄而深的直壁成形难度非常高，并且接套体左右不对称的特点导致左右冲头发生偏载。图5（b）为成形过程中张模力随时间变化的曲线图，可以看出充填完全时合模力约为5600kN。

模具应力分析

图5 左右冲头和合模力变化图

根据以上对速度场和挤压力的分析，得知当金属开始向下部腔体流动时，该处的金属流动速度最快，左右冲头提供的挤压力也是明显增加，此时模具受到的应力最大，故在该模拟步数时对各块模具进行了应力分析模拟，研究该成形工艺对模具使用寿命的影响情况。各模具应力情况如图6所示，分别是左右冲头的应力分布情况。模拟中模具材料为常用的H13钢，其抗拉强度为1740MPa。从图中看出左右冲头的应力最大处分别达到1690MPa和1440MPa，都已经非常接近H13钢的抗拉强度；从零件特点分析，左右冲头不仅需要挤压金属填充左右部腔体，还需挤压金属填充下部腔体，反复的挤压金属对于左右冲头的损耗非常大，而左部腔体的直径更大，所以左冲头的应力稍大；从模具结构分析，长圆柱体式的设计导致在复杂的成形过程中，在冲头根部容易发生断裂，因此冲头根部的应力始终是最大的。模具的应力情况关系着模具的使用寿命，对方案进行改进，延长模具的使用寿命。

改进措施

根据以上模拟分析，提出的接套体方案面临着张模力过大和左右冲头不平衡的问题，在实际生产时对设备的要求非常高。为了解决左右冲头偏载问题，把模具结构进行了修改，把一侧的冲头修改为挡板，并将成形温度提高至1150℃。优化后的冲头载荷比较如表2所示，冲头应力及充填完成图如图7所示。

表2 改进前后的载荷对比表

图6 左右冲头应力情况图

图7 优化后的结果

图8 成形过程中不同阶段实物图

试验验证

设备及过程

试验设备为YH39-1000 10000kN模锻液压机、成形模具、电阻炉等。

根据在实际试模过程中对坯料温度的控制，确定接套体开始挤压温度为1150℃，终止挤压温度为900℃，挤压温度范围为1150～920℃。本次试验采用电阻炉加热坯料，加热规范为1150℃、保温15分钟，模具预热温度为400℃，冲头和型腔刷以水基石墨润滑。加热完毕后，将30CrNi3A钢材坯料快速地放入模腔中进行热挤压成形，其他条件与模拟设定的条件一致。

试验结果分析

实际过程中，考虑到设备的使用以及后续脱模问题，对模拟情况进行优化修改，下部型腔先不成形，后续再进行机加工。图8为钢制接套体成形过程中不同阶段的实物图，由图可以看出接套体成形过程中金属流动规律与上文数值模拟的情况一致，首先变形区集中在冲头和型腔尾部，待孔成形之后，金属开始填充下部型腔，最后充填各个端角。从表面质量看，由于表面氧化皮脱落，造成锻件端角和直边部位出现缺肉现象。并且，型腔内的氧化皮造成模具清理难度增大，影响模具的使用情况。

针对锻件端角缺肉现象，在生产过程中采用高频加热设备进行加热，可以显著减少加热产生的氧化皮，改善锻件的成形质量并且延长模具的使用寿命。另外，在顶尖块上设置分流装置，并在两边进行倒角。分流的装置能促使金属向两边流动，倒角处形成小的飞边，保证了锻件棱角充填的完整性。

采取上述措施后，成形的锻件如图9所示。

图9 最终成形的锻件

结论

通过对模具结构和成形温度的调整，有效的降低模具承受载荷和延长模具使用寿命，避免了冲头偏载的问题，满足实际生产设备的要求，成功锻造出了符合要求的接套体锻件，相比旧工艺提高了材料的利用率，带来了良好的经济效益。

项目支持：1、安徽省重点研发计划项目(201904a05020062)

2、上海市高原学科—机械工程学院开放基金项目(PA2019QTSK0002)

作者简介

黄彪，主要研究方向为塑性成形及模具CAD。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第21期