文/張海建·江蘇亞太安信達(dá)鋁業(yè)有限公司

鋁合金鍛件輥鍛模設(shè)計(jì)及有限元分析

文/張海建·江蘇亞太安信達(dá)鋁業(yè)有限公司

張海建，鍛造工藝員，主要從事熱模鍛模具及工裝設(shè)計(jì)、鍛造工藝制定及鋁合金熱處理工藝制定，自主研發(fā)了輥鍛模具計(jì)算程序，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證。

目前，國(guó)內(nèi)很多鋁合金鍛造廠家在鍛件制坯時(shí)采用的是拔長(zhǎng)工藝，一般采用自由鍛拔長(zhǎng)、楔橫軋和輥鍛這三種。自由鍛拔長(zhǎng)對(duì)作業(yè)員的技能水平要求比較高，并且自動(dòng)化程度低，楔橫軋制坯工藝自動(dòng)化程度高，但是軋制出的產(chǎn)品形狀有局限性，所以輥鍛工藝得到越來(lái)越多公司的青睞。

本文主要闡述了輥鍛工藝中輥鍛模設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)輥鍛模設(shè)計(jì)部分公司還是采用筆算法，這種計(jì)算方法時(shí)間長(zhǎng)，難度高。少部分公司采用了德國(guó)ERATZ工程公司開發(fā)的VEARCAD進(jìn)行計(jì)算并結(jié)合有限元進(jìn)行分析，這種計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，速度快，但是相對(duì)成本比較高。本文中主要使用Excel程序進(jìn)行計(jì)算并結(jié)合有限元進(jìn)行分析，這種計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，速度快，并且相對(duì)成本較低。

輥鍛毛坯設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輥鍛毛坯的基礎(chǔ)是鍛件截面圖和計(jì)算毛坯圖。通常是將截面圖按長(zhǎng)度上面積不同分成若干特征段，可以分成大頭、桿部、小頭及過(guò)渡區(qū)段，利用塑模軟件（UG、Pro/E等）分析出各個(gè)斷面的面積。

根據(jù)分析出的面積，計(jì)算出輥鍛件的各個(gè)截面積的大?。ㄒ罁?jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與各個(gè)公司設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)），本文中是按照理論截面積的1.2～1.3倍進(jìn)行設(shè)計(jì),本文中鋁合金鍛件的原材料規(guī)格是φ58mm鋁合金棒材。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出最終的輥鍛件,本文中最終輥鍛件造型如圖1所示。

圖1 輥鍛件造型

輥鍛模具設(shè)計(jì)

輥鍛道次的確定,利用Excel程序快速算出需要的道次，棒料橫截面積S1為2642.079mm2，輥鍛最小橫截面積S2為800mm2，原始棒料直徑D為58mm。此輥鍛件最終桿部截面為橢圓，小頭截面為矩形，根據(jù)算出的理論道次，確定此輥鍛件3個(gè)道次可以輥鍛出，只需填寫輥鍛最小橫截面S2即可算出理論道次。選擇截面方法可以參考《鍛壓手冊(cè)》中的輥鍛模具設(shè)計(jì)，此輥鍛件桿部截面的選擇為原材料→橢圓→圓形→橢圓；小頭截面的選擇為原材料→橢圓→圓形→矩形。各道次截面積及長(zhǎng)度計(jì)算，利用Excel設(shè)計(jì)計(jì)算程序，計(jì)算方法為“極限假設(shè)法”，計(jì)算出各道次面積，見表1。

表1

表1中n代表道次當(dāng)n=1的時(shí)候，在此道輥鍛變形中，變形截面已經(jīng)達(dá)到理論極限值，當(dāng)n＜1的時(shí)候，變形量則小于理論極限值，只要變形型槽選擇得當(dāng)，則此道輥鍛工藝可以順利進(jìn)行，在較為簡(jiǎn)單的變形中n可以大于1（如圓到橢圓）。上述表中只需填寫n即可，其余數(shù)值可以自動(dòng)生成。

逆推法計(jì)算過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度，只需在陰影部分填寫最后一道過(guò)渡區(qū)的長(zhǎng)度即可。截面尺寸及相應(yīng)矩形高度如圖2所示。

圖2 截面尺寸及相應(yīng)矩形高度

模具設(shè)計(jì)及有限元分析

此輥鍛件在加工過(guò)程中選用的是北京機(jī)電研究所研發(fā)的370輥鍛機(jī)，結(jié)合上述計(jì)算的數(shù)據(jù)，利用塑模軟件（UG、Pro/E等）設(shè)計(jì)出輥鍛模，如圖3所示。結(jié)合有限元分析軟件（Deform、Qform等）分析輥鍛過(guò)程，微調(diào)前滑數(shù)值，直至模擬出的鍛件與理論設(shè)計(jì)的輥鍛件基本一致。

最后進(jìn)行模擬后的最終產(chǎn)品及缺陷分析，分析后得出折疊區(qū)域都在非關(guān)鍵面上，模具關(guān)鍵型腔全部充滿。綜上所述，此輥鍛模設(shè)計(jì)合理，可投入生產(chǎn)。實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品如圖4所示。

圖3 塑模軟件（UG、Pro/E等）設(shè)計(jì)出輥鍛模

圖4 實(shí)際生產(chǎn)的輥鍛件

結(jié)束語(yǔ)

此種計(jì)算方法充分利用了Excel的優(yōu)勢(shì)，成本較低，能夠方便快捷的計(jì)算出輥鍛模，不管是用Vearcad計(jì)算輥鍛模，還是利用Excel編寫程序計(jì)算輥鍛模，都要求技術(shù)員在設(shè)計(jì)過(guò)程中不停的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而減少有限元分析的時(shí)間，來(lái)提高工作效率，提高模具壽命，提高材料利用率，充分的為企業(yè)增值增效。