彎管鍛件成形工藝模擬分析

文／蘇麗芬·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

近幾年，被廣泛應(yīng)用于航天航空設(shè)備上的彎管形狀的模鍛件很多，作為連接件，由于其形狀特點(diǎn)，荒型的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，會(huì)直接影響模鍛件的消耗、模具的壽命及鍛件的成形。在眾多彎管中，我們選擇了一種以彎曲點(diǎn)為中心，兩側(cè)長(zhǎng)度非對(duì)稱且落差較大的鍛件進(jìn)行模擬工藝分析，鍛件外形見(jiàn)圖1。

圖1 鍛件外形

此鍛件整體尺寸較小，彎曲點(diǎn)兩側(cè)不對(duì)稱并且靠近一端頭只有十幾個(gè)毫米，此類鍛件的荒型成形難度較大，為了滿足模鍛件成形，需要設(shè)計(jì)胎模彎曲。

荒型成形工藝模擬分析

根據(jù)鍛件外形設(shè)計(jì)荒型，為了有效提高材料利用率，滿足鍛件成形，現(xiàn)將荒型設(shè)計(jì)成如圖2 所示。荒型基本按鍛件外形設(shè)計(jì)，尺寸在鍛件本體的基礎(chǔ)上增加了毛邊量，經(jīng)計(jì)算，荒型重量為0.91kg。

圖2 理論荒型

荒型鐓粗工藝模擬分析

根據(jù)荒型外形，需要經(jīng)過(guò)鐓粗-彎曲成形。先設(shè)計(jì)鐓粗胎模(圖3)，鐓粗胎模材料選用5CrNiMo，棒料放入鐓粗胎模中間處。

對(duì)鐓粗過(guò)程進(jìn)行模擬，參數(shù)見(jiàn)表1。采用4錘成形，上下模基本重合，未發(fā)生折疊，荒型表面質(zhì)量良好，模擬成形過(guò)程見(jiàn)圖4，荒型見(jiàn)圖5。

模擬后進(jìn)行溫度分布分析(圖6)，鐓粗后溫度在271 ～446℃，接觸下模具部分溫度較低，其他部分溫度較合適，為了保證鍛造溫度，鐓粗工步采用一火完成。

表1 鐓粗模擬參數(shù)

圖3 鐓粗胎模

圖4 模擬成形過(guò)程

圖5 鐓粗荒型模擬結(jié)果

荒型彎曲工藝模擬分析

荒型鐓粗后，需要進(jìn)行彎曲才能達(dá)到鍛件成形所要求的荒型，如何設(shè)計(jì)彎曲胎模及彎曲方向如何取舍是難點(diǎn)，為此我們模擬了以下4 種彎曲方案。

圖6 鐓粗后荒型溫度分布圖

圖7 根據(jù)荒型設(shè)計(jì)的彎曲胎模

⑴第一種：根據(jù)荒型設(shè)計(jì)彎曲胎模，如圖7 所示。因荒型彎曲部分為圓棒料，為使荒型彎曲后依然是圓棒料而不被壓扁，對(duì)上胎模進(jìn)行彎曲，彎曲型腔按最終荒型外形吻合。荒型彎曲模擬結(jié)果見(jiàn)圖8。

從模擬結(jié)果可以看出，彎曲上下胎模已經(jīng)閉合，但是荒型未達(dá)到彎曲的效果，對(duì)此設(shè)計(jì)繼續(xù)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)鍛件可達(dá)到彎曲角度，但需要將上彎曲胎模與荒型接觸部分高度降低。

圖8 采用第一種彎曲胎模的荒型彎曲模擬結(jié)果

圖9 采用第二種彎曲胎模的荒型彎曲模擬結(jié)果

⑵第二種：在第一種胎模的基礎(chǔ)上降低上彎曲胎模與荒型接觸部分高度，并加大胎模型腔內(nèi)圓。模擬后發(fā)現(xiàn)，彎曲部分的φ43mm 外圓有壓扁現(xiàn)象，并且彎曲角度雖然較上次有所好轉(zhuǎn)，但是依然有欠缺，模擬結(jié)果見(jiàn)圖9。

通過(guò)第一種及第二種彎曲胎模模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化：改變彎曲方向，設(shè)計(jì)出第三種彎曲胎模。

⑶第三種：設(shè)計(jì)上下彎曲模具，彎曲方向翻轉(zhuǎn)180°，模擬結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 采用第三種彎曲胎模的荒型彎曲模擬結(jié)果

模擬后發(fā)現(xiàn)，φ43mm 外圓雖然沒(méi)有壓扁現(xiàn)象，但是彎曲角度沒(méi)有達(dá)到要求。經(jīng)過(guò)以上三種胎模綜合分析，設(shè)計(jì)出第四種胎模：增加荒型橫向跨度。

⑷第四種：設(shè)計(jì)彎曲跨度較大的彎曲胎模，如圖11 所示，模擬結(jié)果如圖12 所示。

圖11 彎曲跨度較大的彎曲胎模

圖12 采用第四種彎曲胎模的荒型彎曲模擬結(jié)果

從過(guò)程及結(jié)果可知，第四種彎曲胎模對(duì)比其他彎曲胎模，無(wú)論從彎曲角度上還是從防止外圓壓扁的情況看，都具有優(yōu)勢(shì)。

模鍛工藝模擬分析

對(duì)選取的第四種胎模進(jìn)行成形模擬，模擬參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 成形模擬參數(shù)

模擬結(jié)果表明，鍛件充滿良好，觀察每錘鍛件的金屬流向，鍛件未發(fā)生折疊等缺陷，如圖13 所示。

圖13 鍛件充滿狀態(tài)

經(jīng)溫度分布(圖14)分析后得出，鍛件可一火成形，要求鍛件終鍛溫度不小于380℃，實(shí)際最低溫度是396℃，雖然在毛邊上有個(gè)別點(diǎn)超過(guò)始鍛溫度，但不影響鍛件本身的理化效果。

圖14 溫度分布圖

模擬方案驗(yàn)證

按模擬參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如下。

⑴鍛造荒型。選取圓棒料先在鐓粗胎模中鐓粗，再在彎曲胎模中彎曲，荒型成形見(jiàn)圖15。荒型桿部基本保持了圓形，彎曲點(diǎn)有輕微壓傷，拋磨即可去除。

圖15 實(shí)際生產(chǎn)中的荒型

圖16 模鍛成形后的產(chǎn)品實(shí)物

⑵模鍛成形。將荒型在模具中模鍛成形，生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果基本與模擬過(guò)程吻合，模鍛產(chǎn)品見(jiàn)圖16。

結(jié)束語(yǔ)

⑴根據(jù)鍛件外形可初步制定幾種備選成形方案，通過(guò)模擬分析，選擇一種合理的成形方案進(jìn)行試制。

⑵不對(duì)稱彎管模鍛件成形比較困難，合理的荒型對(duì)模鍛成形至關(guān)重要，對(duì)成形難度大的荒型，選擇合適的胎模尤為重要。

⑶棒料經(jīng)過(guò)鐓粗→彎曲→模鍛成形，每工步一火完成，材料利用率可達(dá)82.6%。

⑷模擬周期較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)周期可縮短近一個(gè)月。