張紅穎 劉 穎 劉曉芹

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

三通件是廣泛應(yīng)用于航空航天、石油、化工等領(lǐng)域的重要配件。隨著三通件性能要求的提高，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝已難以滿(mǎn)足其要求。鑄造、焊接方法生產(chǎn)的三通件組織性能低，不能滿(mǎn)足高性能要求領(lǐng)域的使用條件。采用先鍛造出坯料后用機(jī)械加工方法生產(chǎn)三通件會(huì)切斷鍛造流線。通過(guò)無(wú)縫鋼管熱壓成形的方法生產(chǎn)三通件所需設(shè)備噸位較大，所受限制多。多向加載成形就是通過(guò)在軸向和橫向等一個(gè)以上的方向上多組模具同時(shí)或順序地對(duì)坯料局部區(qū)域施加載荷使坯料發(fā)生塑性變形，以獲得預(yù)期形狀、尺寸、精度和性能的零件[1]。多向加載塑性成形三通件不僅生產(chǎn)效率高、鍛件精度高、材料利用率高，而且能獲得良好的材料流線和力學(xué)性能。本文對(duì)廠內(nèi)某典型等徑三通零件的熱擠壓成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了模具加載方式、坯料溫度和模具速度等工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程及鍛件質(zhì)量的影響，為提出合理的工藝方案提供重要依據(jù)，從而指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程。

1 數(shù)值模擬模型的建立

等徑三通件的材料為30CrMo。三通多向加載擠壓成形坯料為圓棒料，根據(jù)擠壓件重量，考慮擠壓飛邊、燒損和壓縮等因素，確定坯料的重量與尺寸。

圖1 多向加載擠壓成形幾何模型Figure 1 The geometrical model of extrusion forming with multi-direction load

多向加載擠壓三通成形的幾何模型如圖1所示。液壓機(jī)兩側(cè)水平缸推動(dòng)水平凸模進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，上凸模由穿孔缸帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)，凹模的上半部分固定在活動(dòng)橫梁上，在模擬過(guò)程中將凹模上下兩部分合并成一整體。

2 加載成形方式的確定

多向液壓機(jī)能夠在水平和豎直兩個(gè)方向上同時(shí)或分別運(yùn)動(dòng)，所以水平凸模與上凸模也可以同時(shí)或按照一定順序加載。針對(duì)三種加載方式——同時(shí)加載、順序A加載、順序B加載進(jìn)行模擬，研究加載方式對(duì)成形過(guò)程及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

2.1 模擬條件

坯料溫度為1 150℃，環(huán)境溫度20℃，模具初始溫度為300℃，工件與模具間的摩擦因數(shù)為0.3，分別按照下列三種模具加載方式進(jìn)行成形過(guò)程的熱力耦合模擬：

(1)同時(shí)加載方式：上凸模與兩水平凸模以恒定的速度同時(shí)運(yùn)動(dòng)直至擠壓行程結(jié)束，上凸模的運(yùn)動(dòng)速度為3.3 mm/s，水平凸模的運(yùn)動(dòng)速度為50 mm/s。

(2)順序A加載方式：兩水平凸模首先以50 mm/s的速度在水平方向加載至其擠壓行程結(jié)束，然后上凸模以50 mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)直至擠壓行程結(jié)束。

(3)順序B加載方式：上凸模首先以50 mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)至其擠壓行程結(jié)束，然后水平凸模以50 mm/s的速度在水平方向加載直至擠壓行程結(jié)束。

2.2 模擬結(jié)果

這三種加載方式的金屬流動(dòng)規(guī)律和最終的成形結(jié)果如下：

(1)同時(shí)加載方式：水平凸模和上凸模加載運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后，首先坯料兩端的徑向尺寸增大，大部分金屬材料逆向水平凸模的方向運(yùn)動(dòng)。隨著擠壓的進(jìn)一步進(jìn)行，金屬材料在水平凸模的作用下逐漸逆向上凸模的運(yùn)動(dòng)方向向上流動(dòng)，直至擠壓行程結(jié)束。由于擠壓行程后期金屬主要向上運(yùn)動(dòng)充填上部型腔，金屬流動(dòng)量比較大，擠壓困難，沿上凸模周向方向上材料的流動(dòng)不均勻，成形完成時(shí)三通件上部管口形成了折疊。同時(shí)加載方式成形的三通件如圖2所示。

(2)順序A加載方式：水平加載開(kāi)始后，坯料兩端首先有一定的徑向增大，大部分金屬材料在水平凸模的作用下向模具型腔上部運(yùn)動(dòng)，另有一小部分金屬材料逆向凸模運(yùn)動(dòng)。水平凸模擠壓行程結(jié)束、上凸模開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后，金屬材料繼續(xù)向上流動(dòng)直至填充整個(gè)型腔。圖3所示為最終成形的工件形狀。

(3)順序B加載方式：上凸模與坯料接觸后，由于加載行程比較短，金屬材料僅產(chǎn)生了少量水平方向與沿凸模運(yùn)動(dòng)方向的流動(dòng)。水平凸模開(kāi)始加載后，金屬材料首先沿著模具運(yùn)動(dòng)方向流動(dòng)，然后一部分材料逆向模具運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，一部分向上流動(dòng)，擠壓行程后期坯料主要發(fā)生水平尺寸縮短和向上的金屬流動(dòng)。這種加載方式成形的結(jié)果與同時(shí)加載類(lèi)似，如圖4所示。由于擠壓后期成形困難，三通件上部管口產(chǎn)生了折疊。

圖5、圖6分別為模擬得到的三種加載方式下上凸模與水平凸模承受的載荷對(duì)比。因兩水平凸模處于對(duì)稱(chēng)位置，受力基本相同，所以?xún)H列出水平凸模1的成形載荷。

相比之下，同時(shí)加載與順序B加載方式在擠壓后期金屬向上流動(dòng)行程較大，成形困難，成形載荷較大，且材料流動(dòng)不均勻，不能成形出合格的產(chǎn)品。順序A加載方式下模具承受的載荷較小，成形出的三通件形狀和尺寸合格。所以，順序A加載方式是合理的加載方式。

3 坯料溫度的選擇

采用2.1中順序A加載方式和邊界條件，對(duì)坯料溫度分別為1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 220℃的擠壓過(guò)程進(jìn)行模擬。

圖2 同時(shí)加載方式成形的三通件Figure 2 The tee joint formed with multi-direction load at one time

圖3 順序A加載方式成形的三通件Figure 3 The tee joint formed with load in the order of A

圖4 順序B加載方式成形的三通件Figure 4 The tee joint formed with load in the order of B

圖5 三種加載方式下上凸模所受載荷對(duì)比Figure 5 The comparison of forming loads on the upper punch by three loading methods

圖6 三種加載方式下水平凸模1所受載荷對(duì)比Figure 6 The comparison of forming load on the horizontal punch No. 1 by three loading methods

圖7 不同溫度下水平凸模的載荷-行程曲線Figure 7 The curve between loading and stroke of horizontal punch at different temperatures

圖8 不同溫度下上凸模的載荷-行程曲線Figure 8 The curve between loading and stroke of upper punch at different temperatures

圖9 坯料溫度為1 100℃時(shí)工件的等效應(yīng)變Figure 9 Equivalent strain of work piece when billet temperature is 1 100℃

圖7、圖8分別為不同溫度下水平凸模與上凸模在整個(gè)變形過(guò)程中的載荷-行程曲線。

可以看出，各個(gè)坯料不同溫度下模具承受載荷的變化規(guī)律是一致的。在水平凸模的整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中，載荷量首先隨著擠壓行程的增加而逐漸增加，然后在擠壓行程的后期急劇增大并在此基礎(chǔ)上波動(dòng)上升直至擠壓行程結(jié)束。上凸模承受的載荷首先隨著擠壓行程的增加而逐漸增加，然后在擠壓行程的最后階段急劇增加到一定值后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，直至擠壓結(jié)束。坯料溫度越高模具承受載荷越小，1 100～1 220℃之間水平凸模所受載荷分別降低約13%、16%、5%，上凸模所受載荷分別降低約6%、13%、4%。這是因?yàn)樵谄渌麠l件相同的情況下，坯料溫度升高，材料屈服極限逐漸降低，塑性指標(biāo)逐步提高，成形更易進(jìn)行，模具所受載荷逐漸減小。

圖9～圖12為坯料溫度為1 100℃、1 150℃、1 200℃和1 220℃下終擠后工件內(nèi)部的等效應(yīng)變圖。可以看出，等效應(yīng)變最大值分布在擠壓飛邊處。不考慮飛邊部分，工件內(nèi)部水平凸模與上凸模頭部的連皮處的等效應(yīng)變值最大。坯料溫度從1 100℃升高到1 150℃時(shí)擠壓成形更容易進(jìn)行，金屬材料的流動(dòng)性增強(qiáng)，變形趨于均勻，成形件等效應(yīng)變的均勻性增加了。與溫度為1 150℃時(shí)相比，1 200℃和1 220℃下成形件等效應(yīng)變的均勻性逐漸下降，說(shuō)明隨著坯料溫度的繼續(xù)升高，成形的不均勻性增加了。若坯料溫度過(guò)高，還容易發(fā)生氧化，易產(chǎn)生缺陷，擠壓力更容易產(chǎn)生波動(dòng)。因此，綜合考慮選擇成形溫度為1 150℃。

4 擠壓速度對(duì)成形過(guò)程的影響

采用2.1中的順序A加載方式和邊界條件，水平凸模和上凸模分別以V=10 mm/s、50 mm/s、100 mm/s、500 mm/s的速度加載，模擬研究擠壓速度對(duì)成形過(guò)程的影響。

圖10 坯料溫度為1 150℃時(shí)工件的等效應(yīng)變Figure 10 Equivalent strain of work piece when billet temperature is 1 150℃

圖11 坯料溫度為1 200℃時(shí)工件的等效應(yīng)變Figure 11 Equivalent strain of work piece when billet temperature is 1 200℃

圖12 坯料溫度為1 220℃時(shí)工件的等效應(yīng)變Figure 12 Equivalent strain of work piece when billet temperature is 1 220℃

圖13 不同擠壓速度下水平凸模的載荷-行程曲線Figure 13 The curve between loading and stroke of horizontal punch at different extrusion speeds

圖14 不同擠壓速度下上凸模的載荷-行程曲線Figure 14 The curve between loading and stroke of upper punch at different extrusion speeds

圖13、圖14分別為不同擠壓速度下水平凸模與上凸模的載荷-行程曲線。

可以看出，擠壓速度為10 mm/s時(shí)擠壓力最大，這是因?yàn)閿D壓速度低時(shí)工件熱量損失多，溫降快，材料變形抗力大。擠壓速度由10 mm/s增加到100 mm/s時(shí)，工件的熱量損失減少，熱效應(yīng)作用增強(qiáng)，成形溫度升高，軟化作用逐漸增強(qiáng)，模具所受載荷逐漸減小。擠壓速度增加到500 mm/s后，載荷不但沒(méi)有減小，反而高于速度為100 mm/s時(shí)，說(shuō)明變形過(guò)程中金屬的加工硬化速度比軟化速度快，變形抗力增大。

在其他變形條件相同的情況下，由于變形產(chǎn)生的熱效應(yīng)作用，擠壓速度提高會(huì)使擠壓件的溫度升高，有利于降低變形抗力。但若擠壓速度過(guò)快，變形過(guò)程中金屬的回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程來(lái)不及進(jìn)行，材料的塑性下降、變形抗力增加，而且過(guò)快的擠壓速度會(huì)增加變形的不均勻性，影響表面質(zhì)量。所以綜合考慮，擠壓速度為100 mm/s是合理的擠壓速度。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，上凸模不動(dòng)，水平凸模首先加載，然后上凸模再向下加載至擠壓結(jié)束的加載方式能夠獲得合格的產(chǎn)品形狀和尺寸，且成形過(guò)程中的載荷量相對(duì)較小。

(2)通過(guò)對(duì)不同坯料溫度下的成形過(guò)程模擬能夠得出：各個(gè)溫度下的模具所受載荷的變化規(guī)律是一致的，坯料溫度越高，載荷量越小。隨著坯料溫度的升高，等效應(yīng)變分布的均勻性先增加后降低。綜合考慮1 150℃為適宜的坯料溫度。

(3)擠壓速度低時(shí)工件散熱量大，成形溫度相對(duì)較低，成形載荷較大。擠壓速度升高使成形產(chǎn)生的熱效應(yīng)增強(qiáng)，軟化作用增強(qiáng)，成形載荷降低，但過(guò)高的擠壓速度下金屬的回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程來(lái)不及進(jìn)行，材料的塑性下降，變形抗力增加。綜合來(lái)看，擠壓速度為100 mm/s是合理的擠壓速度。

通過(guò)數(shù)值模擬獲得等徑三通件的模具加載方式，優(yōu)選出合理的工藝方案，為工業(yè)試驗(yàn)和生產(chǎn)提供了重要的指導(dǎo)作用，從而有效地縮短了工藝周期。

[1] 張大偉，楊合，孫志超．多向加載近凈成形研究動(dòng)態(tài)[J].精密成形工程，2009(01)：39-46.

[2] 黃鑒，何東升，馬業(yè)華，等．?dāng)?shù)值模擬技術(shù)在三通熱成形工藝中的應(yīng)用[J].熱加工工藝，2011(03)：72-75.

[3] 付瓊，付艷．等徑三通多向模鍛工藝研究[J].一重技術(shù)，1998(2)：77-80.

[4] 李素麗．三通件多向加載整體成形工藝研究[D].太原：中北大學(xué)，2008.

[5] 賈俐俐．?dāng)D壓工藝及模具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6] 柏立敬，張治民．方形三通件多向加載過(guò)程金屬流動(dòng)研究[J].熱加工工藝，2008(05)：64-66.