T形大鍛件自由鍛成形過(guò)程有限元分析

門(mén)正興　孟相利　曾　明　趙　剛(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四川618013)

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T形大鍛件自由鍛成形過(guò)程有限元分析

門(mén)正興孟相利曾明趙剛
(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四川618013)

摘要:對(duì)T形截面鍛件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，確定了工藝方案制定的基本原則。通過(guò)有限元方法對(duì)四種可能的T形截面鍛件鍛造方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，闡述了各種方法可能出現(xiàn)的鍛造缺陷及適用范圍，并對(duì)T形截面長(zhǎng)鍛件工藝方案設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞:T形截面;鍛造缺陷;有限元分析

自由鍛是采用簡(jiǎn)單的通用工具或鍛造設(shè)備的上、下砧直接對(duì)坯料施加外力，使坯料產(chǎn)生變形而獲得所需幾何形狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛件加工方法，是大型鍛件的主要生產(chǎn)方法［1］。隨著提高材料利用率、縮短產(chǎn)品周期、節(jié)能減排和提高鍛件質(zhì)量等方面要求的提高，自由鍛向著越來(lái)越精確的方向發(fā)展，因此要求鍛造工藝的設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮鍛造過(guò)程中每一個(gè)因素，設(shè)計(jì)出材料利用率高、火次少、操作簡(jiǎn)單、質(zhì)量可靠的鍛造工藝。

1　 T形截面鍛件分析

大型T形鍛件截面如圖1所示。由于鍛件長(zhǎng)度是鍛壓設(shè)備鍛造尺寸的數(shù)倍，因此需要多次局部成形才能最終得到合格的鍛件。為了描述方便，將T形截面長(zhǎng)度L較大的一端稱為“大端”，T形長(zhǎng)度L較小的一端稱為“小端”。確定T形截面形狀的尺寸共有四個(gè)，分別是大端長(zhǎng)度L1，大端高度H1，小端長(zhǎng)度L2，小端高度H2。不同的尺寸組合會(huì)使T形截面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而不同的比例和尺寸將導(dǎo)致不同的鍛造成形方法。如表1所示為L(zhǎng)1= 200 mm、H1= 100 mm情況下，L2為50 mm、100 mm、150 mm和H2為50 mm、100 mm、150 mm九種不同的T形截面形狀。

采用自由鍛方法成形T形截面鍛件的基本過(guò)程是:鋼錠壓鉗口、倒棱、錯(cuò)底→鐓粗、拔長(zhǎng)成扁方→成形出T形截面鍛件。T形截面鍛件的成形以鐓粗為主，鍛造工藝方案選擇的基本原則是: 1)根據(jù)體積決定成形方式。選擇大端和小端之中體積較大的一端來(lái)確定扁方尺寸，體積較小的部分作為主變形區(qū)域; 2)根據(jù)比例決定成形方式。對(duì)于L1/L2較大的鍛件，以小端為主變形區(qū)，反之則以大端為主變形區(qū)。對(duì)于H1/H2較大的鍛件，以小端為主變形區(qū)，反之則以大端為主變形區(qū);3)以下壓量和扁方尺寸決定成形方式。以成形過(guò)程中下壓量最少和成形過(guò)程中扁方不失穩(wěn)為判斷成形方式好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。

2　成形方法數(shù)值分析

成形T形截面鍛件的方法需要根據(jù)零件特點(diǎn)、現(xiàn)有工裝等方面情況確定，下面就對(duì)可能使用的方法進(jìn)行介紹并進(jìn)行有限元分析，從而確定每種方法的可行性及適用范圍。

2．1成形方案1:局部鐓粗法

局部鐓粗法是將扁方的高度與T形截面鍛件大端長(zhǎng)度L1一致，在鍛造過(guò)程中，成形T形小端的金屬放于成形設(shè)備上下砧之間進(jìn)行局部鐓粗成形，大端保持不動(dòng)。圖2為900 mm×750 mm扁方成形T形截面鍛件的過(guò)程。從成形過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，T形小端在成形過(guò)程中高度H2增大，長(zhǎng)度L2減少。由于成形過(guò)程中金屬被擠出上下砧，因此T形大端高度H1在成形過(guò)程中增大。而T形大端的長(zhǎng)度L1由于變形區(qū)金屬流動(dòng)的影響，從開(kāi)始變形的750 mm減小為730 mm左右。采用該方法成形的T形截面鍛件大端底部斜度較大，需修整后才能得到規(guī)則的鍛件。該方法以T形大端確定扁方尺寸，T形小端為主變形區(qū)域，適于成形T形小端高度H2較大、長(zhǎng)度L2較小的鍛件，不適合成形T形大端長(zhǎng)度L1較大的鍛件。2．2成形方案2:下模鐓粗法

設(shè)計(jì)與T形截面相同形狀的下模，將寬度與T形小端長(zhǎng)度L2一致的扁方放入下模中，采用平砧鐓粗成形T形大端，成形結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。值得注意的是，如果采用下模與上砧同寬的模具結(jié)構(gòu)，在上砧下壓過(guò)程中，扁方上部分金屬會(huì)流向模具外側(cè)而不是填充T形截面大端，使得鍛件在軸向上彎曲，如圖4所示。這是由于金屬流向鍛件軸向的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于填充T形大端的阻力，因此成形結(jié)果類似于拔長(zhǎng)，而且通過(guò)增大扁方高度來(lái)提高T形大端填充性的效果也不理想。

為了增大T形大端的填充性，必須增大金屬向鍛件軸向流動(dòng)的阻力。增加下模長(zhǎng)度能增大金屬軸向流動(dòng)的摩擦力，可以有效增大金屬軸向流動(dòng)的阻力，迫使金屬向T形大端流動(dòng)。如圖5所示，采用長(zhǎng)下模的模具結(jié)構(gòu)，T形截面基本可以成形。從鍛件的俯視圖中可以發(fā)現(xiàn)，鍛件中部區(qū)域T形大端已經(jīng)完全填充，而兩側(cè)填充效果不理想，這是由于鍛件端部金屬軸向流動(dòng)阻力小的緣故。下模鐓粗法以T形小端確定扁方尺寸，T形大端為主變形區(qū)域，適用于T形小端長(zhǎng)度L2和高度H2都較大、而T形大端高度H1較小的鍛件。對(duì)于大端長(zhǎng)度L1較大的T形截面鍛件，可以先將扁方上部金屬劈開(kāi)、壓平，然后再用平砧下壓成形。

圖1　T形鍛件截面示意圖Figure 1　 The section diagram of T shaped forging

表1　不同T形截面鍛件示意圖Table 1　Sketchs of forgings with different T shapes

圖2　方案1成形過(guò)程Figure 2　Forming process of scheme No．1

圖3　方案2成形結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3　 Schematic drawing of forming structure of scheme No．2

圖4　方案2上下模同寬情況下成形效果Figure 4　 Forming result when top and bottom dies withthe same width in scheme No．2

圖5　方案2長(zhǎng)下模情況下成形效果Figure 5　 Forming result with long bottom die in scheme No．2

圖6　方案3成形過(guò)程Figure 6　Forming process of scheme No．3

圖7　方案4成形過(guò)程Figure 7　Forming process of scheme No．4

2．3成形方案3:兩側(cè)鐓粗法

對(duì)于T形大端體積較大、小端高度H2較小的T形截面鍛件，可將扁方放置在平臺(tái)上，用平砧對(duì)扁方兩側(cè)分別下壓，最后得到需要的形狀。成形過(guò)程如圖6所示。從成形過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，T形大端高度H1減小，長(zhǎng)度L1增加，并有明顯的鼓形，在坯料計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮。該成形方法以T形大端確定扁方尺寸，T形小端為主變形區(qū)域，適用于成形T形小端高度H2較小的鍛件。

2．4成形方案4:反擠壓法

采用類似模鍛中反擠壓設(shè)計(jì)，希望金屬在上模下壓過(guò)程中向上流動(dòng)，填充T形小端。模擬結(jié)果如圖7所示。從模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該成形方法的效果非常差。這是由于自由鍛過(guò)程中，很難形成類似模鍛過(guò)程的封閉空間，金屬向外側(cè)流動(dòng)的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬向上流動(dòng)的阻力，因此T形小端的高度在成形結(jié)束時(shí)比初始扁方情況下還要小。

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)備情況和設(shè)計(jì)要求的T形截面鍛件，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定具體的鍛造成形工藝，在計(jì)算下料及扁方具體尺寸時(shí)應(yīng)考慮:

1)自由鍛過(guò)程中，金屬沿鍛件軸向流動(dòng)不可避免，會(huì)導(dǎo)致截面金屬減少、鍛件長(zhǎng)度增加，因此不能簡(jiǎn)單的采用截面體積比計(jì)算下料尺寸;

2)采用自由鍛方法成形T形截面鍛件過(guò)程中，自由面很多，成形出的T形不規(guī)則，需要修整或留有足夠的工藝余量。

3) T形大端和小端過(guò)渡區(qū)域應(yīng)采用大圓角過(guò)渡，以便于生產(chǎn)和后續(xù)熱處理;

4)長(zhǎng)條鍛件兩個(gè)端部與中間部分受力情況不同，很可能出現(xiàn)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求的廢料區(qū)，在計(jì)算下料尺寸時(shí)應(yīng)注意。

3　結(jié)論

( 1)對(duì)T形截面鍛件進(jìn)行了分類，確定了鍛造工藝方案選擇的基本原則。

( 2)通過(guò)有限元方法對(duì)4種T形截面鍛件鍛造方法進(jìn)行了分析，對(duì)各種方法可能出現(xiàn)的缺陷及適用范圍進(jìn)行了闡述。

( 3)對(duì)T形截面鍛件工藝方案設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。

參考文獻(xiàn)

［1］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì)編．鍛壓手冊(cè)［M］．機(jī)械工藝出版社，35( 2) :17－21．

編輯杜青泉

Finite Element Analysis of Free Forging Forming Process of T Shaped Large Forging

Men Zhengxing，Meng Xiangli，Zeng Ming，Zhao Gang

Abstract:The basic principle of process formulation is confirmed by analyzing the structure of forging with T-shaped section．Numerical simulation is performed for four kinds of forging methods for the forging with T-shaped section．The possible forging defects and application scope of every method are described．The attentive problems in process design for the forging with T-shaped section are summarized．

Key words:T-shaped section; forging defects; finite element analysis

收稿日期:2014—10—13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類號(hào):TG316