基于Deform-3D的銅水表殼體的多向模鍛成形工藝研究

文/周凌華，吳佳森，許濤·湖州機床廠有限公司

通常國內的水表殼體以鑄鐵為主，極少部分會采用鋁合金或不銹鋼材質。鑄鐵水表殼體由于耐腐蝕性差，經常會在水中出現鐵銹現象。而在日本，則普遍采用無鉛銅作為水表殼體的材質，銅具有良好的耐腐蝕性能，且含有銅離子的水溶液具有殺菌作用，可以有效確保水的清潔。

本次工藝研究旨在探索一種鍛造工序少、加工余量少、產品質量好及產量高的新工藝方式。本次工藝研究以13mm銅水表殼體為基形，分別通過數值模擬和工藝試驗來進行探索。試驗的銅水表殼體鍛件尺寸圖如圖1所示。

數值模擬

模型的建立

圖1 銅水表殼體鍛件圖

由于零件形狀較為復雜，因此在建立模型時選擇對整個模型進行模擬。根據鍛件的體積，并考慮網格劃分時的體積損失以及成形時的材料損耗，在此基礎上增加5%的材料補償，計算出用于模鍛成形的坯料尺寸。用三維軟件建立數值模擬所需的上、下模及各擠壓沖頭，并導入Deform進行網格化。

擠壓參數選取

選取材料為CuZn28，其抗拉強度σb=295MPa,伸長率為δ10=30%，彈性模量E=100GPa，泊松比為0.3。設定鍛造坯料的初始溫度為730℃，模具預熱溫度200℃，模具與材料間摩擦系數為0.3，熱傳導率為11W/(m·K)。設定工藝方式為上下合模，左右封模，后側主擠壓。主擠壓頭擠壓速度為30mm/s，且保持定速擠壓。

模擬過程

數值模擬成形過程中引入了左右凸頭端面的沖孔工藝，在左右凸頭端面成形的同時擠出一定量的盲孔，在實際生產中可減少材料的浪費，提高材料利用率。

在數值模擬中可觀察到坯料在成形的同時伴隨有正擠壓與反擠壓的狀態，由于沖頭擠入坯料內部，坯料整體拔高，且制品兩側凸臺與其底部肋筋同時開始成形，在坯料拔高到接觸沖頭臺肩時，口部被沖頭臺肩壓下，口部正擠壓增厚，而制品兩側凸臺則在其底部肋筋完全成形后，最后成形，數值模擬成形過程如圖2所示。

圖2 數值模擬成形過程

溫度場分析

制品在成形過程中及成形后的溫度場分布如圖3所示，因底部肋筋厚度較薄，散熱較快，而制品口部由于在最初的反擠壓階段中坯料未發生內部流動，因此，此兩處的溫度最低，低于600℃。而制品的內外側壁由于始終與模具接觸，且模具溫度遠低于坯料溫度，但由于存在坯料的內部流動以及坯料與模具的摩擦作用，對于坯料有一定量的溫度補償，最終溫度處于600～650℃之間。而制品兩側凸臺則在成形過程中僅在最終成形時與模具接觸，且材料始終處于流動狀態中，因此，此處溫度最高，超過700℃。

圖3 銅水表殼體模擬成形后溫度場分布

成形飽滿度及成形力曲線分析

鑒于銅在高溫狀態下良好的流動性，在數值模擬的最終階段，材料充滿整個模腔，并出現了少量毛刺，且成形力在整個過程中基本處于線性上升趨勢，僅在最終充滿整個模腔時出現曲線斜率飛升，出現此現象主要跟網格的劃分和模擬精度有關。根據模擬狀態，可判斷成形此銅水表殼體的擠壓力在2000kN以下。銅水表殼體成形飽滿度如圖4所示，成形力曲線如圖5所示。

圖4 銅水表殼體成形飽滿度

圖5 銅水表殼體成形力曲線

缺陷分析

在數值模擬中，為驗證是否可通過增大沖頭直徑減少內孔加工余量，故設置沖頭直徑為φ55 mm，如圖6所示通過剖面觀察到口部在成形過程中，由于壁厚過薄而出現折疊缺陷，因此重新修正沖頭直徑為φ53mm后，折疊現象消失。

圖6 銅水表殼體口部成形缺陷

工藝試驗及試生產

設備選取

工藝的確定以數值模擬的結果作為主要參考依據，選取設備規格為一臺HJ049-315/250/63×2的多向模鍛液壓機，設備的上下合模力為3150kN，左右封模力為630kN，后側主擠壓力為2500kN，主擠壓速度為30mm/s。

前期試制結果分析及改進

在前期制品試制中出現實際所需的壓力遠大于計算值，且制品的底部肋筋及口部無法飽滿、底部厚度遠大于設計值，實物如圖7所示。

圖7 前期試制銅水表殼體實物

⑴通過增加材料重量，解決了口部不飽滿的狀況，因此可以判斷所需擠壓力過大的原因主要為制品底部的變形抗力過大。

⑵制品底部變形抗力過大主要由于制品底部厚度減小或底部溫度過低，導致材料流動阻力增大，因此考慮采取措施，降低此厚度下底部材料的流動阻力，提高材料的可塑性、流動性。

⑶通過多次試驗及測量，發現制品底部在成形中溫降速率遠大于數值模擬，成形結束后的溫度不到400℃，此溫度下的材料流動阻力遠大于數值模擬，因此首先考慮提高模具預熱溫度，達到減小制品底部溫降、提高材料流動性的目的，但實際驗證效果并不明顯。

⑷提高材料流動性的另一措施為提高材料的流動速率，需提高主擠壓速度，通過對液壓機動力系統進行改造，將主擠壓速度由30mm/s提高至70mm/s。

后期試制及試生產

在將設備動力系統進行改造，對主擠壓速度進行提速后，試制的產品已能完全達到設計標準，在此基礎上，進行了小批量的試生產，制品均檢驗合格，制品實物如圖8所示。

圖8 后期試制水表殼體實物

在試制時，由于模具溫度低，設備的主擠壓力約為2000kN，而隨著試生產的進行，模具溫度逐漸提高并穩定，主擠壓力逐漸降低并穩定在1600kN左右，略小于數值模擬的結果。

結論

⑴數值模擬對于制品的成形能提供有效的參考，數值模擬的邊界條件設定主要是為了模擬實際生產工況，但實際工況的變化依舊無法完全用數值模擬來呈現，因此在試制中仍然與數值模擬出現了一定的偏差。

⑵對比數值模擬與試制的結果，進行理論及實測結果的對比，可較快地找到解決問題的思路；原設計思路中此閉式模鍛的方式不應出現毛刺及飛邊，但試制及試生產合格的產品在進行拋丸前有局部的飛邊和毛刺出現，經分析認為是銅在高溫下極好的延展性，并且隨著模具經過多次的高溫及冷卻，各個合模面均有一定程度的磨損，導致合模間隙過大，從而出現毛刺及飛邊。

本次工藝研究成功探索出了一種針對此類水表殼體的工藝思路，并且此種工藝同樣可廣泛推廣到類似產品如閥體類的多向模鍛上。