文／周凌華·湖州機床廠有限公司

基于Deform3D的銅質(zhì)法蘭管的數(shù)值模擬及工藝試驗

文／周凌華·湖州機床廠有限公司

銅具有良好的耐海水腐蝕性能，含有銅離子的水溶液具有殺菌作用，可以防止海洋生物污損，應(yīng)用在海運業(yè)上已有較長的歷史，并取得了非常好的效果。而其中的鐵白銅（BFe10-1-1）用于制作艦船上的通海管系，已得到普遍的應(yīng)用。

銅質(zhì)管路中的三通接頭可通過內(nèi)高壓脹形制造，彎頭可通過彎頭推彎液壓機制造，這些都已經(jīng)是較為成熟的工藝，唯獨法蘭管的制造，還處于傳統(tǒng)的鍛造毛坯后切削加工的階段，甚至材料浪費率高達60%。

本次數(shù)值模擬及工藝試驗旨在探索一種新的工藝來生產(chǎn)法蘭管（圖1），將材料浪費率降至10%以內(nèi)。

在正式工藝試驗前首先使用Deform3D軟件，對管件的擴口、壓平進行理論分析，而后在理論分析的基礎(chǔ)上進行工藝試驗。

圖1 預(yù)期的鍛件尺寸

數(shù)值模擬

模型建立

由于本次試制零件為完全對稱零件，零件及模具的幾何形狀、物理性質(zhì)、載荷條件及約束條件都是軸對稱，應(yīng)力、應(yīng)變及位移均為軸對稱。因此，為提高模擬精度，坯料及模具均取用1/4模型座模擬計算。圖2所示為零件及模具的幾何模型。

擠壓參數(shù)選取

選取材料為鐵白銅，其抗拉強度σb≥275MPa，伸長率δ10≥28%，彈性模量E=100GPa，泊松比為0.3。

圖2 零件及模具的幾何模型

設(shè)定鍛造坯料初始溫度為800℃，模具預(yù)熱溫度200℃，模具與材料之間摩擦系數(shù)為0.3，熱交換系數(shù)為11W/（m2K）。

由于零件較小，熱容量小，散熱快，因此設(shè)定一較高的擠壓速度，設(shè)定擴口及壓平的速度均為30mm/s。

模擬過程

從擴口的過程中可看出，鐵白銅管件在擴口過程中內(nèi)腔始終貼緊擴口沖頭，充分表現(xiàn)出鐵白銅這種材料優(yōu)越的延展性能。而從圖3及圖4可看到管件的上部邊緣由于擴口的原因，有較為明顯的減薄。

從圖4可看出，擴口后工件的溫度從上部變形區(qū)域到下部支撐區(qū)域呈明顯的下降趨勢，下部由于跟模具的熱交換以及放置時間因素影響降溫較快，而上部由于未直接與下模接觸，并且擠壓過程中產(chǎn)生的熱量補償了其熱損失，因此熱量損失相應(yīng)較小，上部變形區(qū)域的平均溫度在750℃左右，尚在鐵白銅的可鍛溫度范圍內(nèi)，此時直接進入下一步壓平工序。

圖3 擴口過程模擬

圖4 擴口后工件溫度

從圖5壓平這一過程可看出，工件逐漸從折彎變?yōu)樽詈蟮拈]式擠壓，在法蘭邊與下模剛接觸時，會有局部的隆起，但隨著沖頭下行，隆起會逐步消失，且不會產(chǎn)生折疊現(xiàn)象，壓平?jīng)_頭轉(zhuǎn)角處的圓角也會隨著沖頭的下行以及壓力的升高逐步消失，而法蘭邊外圈的圓角由于擴口時的減薄，以及法蘭邊壓平后材料從內(nèi)到外的流動性較差等原因，在2000kN擠壓力時已經(jīng)無法使完全消失。

圖5 壓平過程模擬

從圖6可看出，法蘭邊最終壓平后的溫度仍然沒有明顯的下降，而下部支撐區(qū)域的溫度隨時間有少量下降，已降至500℃附近，若再考慮模具切換時間中的熱量損失，此時的溫度已經(jīng)不足以繼續(xù)進行下一步的拔長減薄工藝，需要重新加熱。

圖6 壓平后工件溫度

工藝試驗

以Deform3D的分析結(jié)果作為基礎(chǔ)，制作簡易模具工裝，進行工藝試驗，試驗條件如下：⑴上下模具及坯料尺寸與數(shù)值模擬基本一致；⑵選用設(shè)備為2000kN通用四柱液壓機；⑶坯料加熱至800℃，模具預(yù)熱溫度150～200℃；⑷上模用石墨乳潤滑，下模不潤滑，盡量使工件留在下模。

模具工裝

在下模腔內(nèi)設(shè)置調(diào)整墊圈，可調(diào)整坯料進入下模腔的深度，若坯料進入深度過淺，擴口和壓平時法蘭外圈與下模腔側(cè)壁提前接觸，產(chǎn)生切邊或折疊現(xiàn)象；若進入過淺，將導(dǎo)致法蘭邊外圈尺寸不足或厚度過薄。圖7所示為擴口沖頭與壓平?jīng)_頭，圖8所示為模具裝配圖。

從圖9可以看出擴口后截面形狀尺寸與數(shù)值模擬基本一致，且觀察到金屬流線較為均勻，觀察側(cè)面，除模具轉(zhuǎn)角處有少許壓印外，其余部位均無明顯的裂縫或褶皺出現(xiàn)，工件冷卻后也未有開裂，證明擴口后材料的物理性能較為穩(wěn)定。

從圖10中失敗案例分析，右側(cè)工件破裂最嚴重是因為加熱溫度不足，測溫顯示表面溫度為700℃，肉眼觀察到坯料未完全發(fā)紅即進入擴口，導(dǎo)致材料破裂，而中間的工件經(jīng)測溫達到780℃，表面完全發(fā)紅后仍然產(chǎn)生破裂，左側(cè)工件在中間工件基礎(chǔ)上增加半小時的保溫時間后，表面測溫800℃，材料無破裂現(xiàn)象，證明加熱時間以及保溫時間對于材料延展性的發(fā)揮有至關(guān)重要的作用。

圖7 擴口沖頭與壓平?jīng)_頭

圖8 模具裝配

圖9 擴口后截面及側(cè)面

圖10 擴口失敗

圖11 所示為壓平后截面、側(cè)面及正面，由圖11a可見，法蘭邊厚度較薄，而工件下部有彎曲和增厚現(xiàn)象，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因在于坯料進入下模腔過深，導(dǎo)致上部法蘭邊材料不足，而下部則產(chǎn)生堆積，而沖頭與模腔間隙過大也是導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因之一，圖11b及圖11c側(cè)面及正面觀察到法蘭邊底部成形較為完整，沒有明顯的開裂，但法蘭外圈處的圓角依然存在，在2000kN擠壓力全部用足時，仍然未能完全消除。

此次工藝試驗未進行下一步的拉長減薄試驗，因此工件下部有局部彎曲或增厚，可通過拔長消除，而冷卻后測得法蘭邊厚度約7.5mm，法蘭邊直徑約103mm，外圈塌角約3～4mm，切削加工余量過小，因此需要加高調(diào)整墊片，減小坯料進入下模腔的深度，以達到增加法蘭直徑及厚度的目的。

圖11 壓平后截面、側(cè)面及正面

結(jié)論

⑴通過數(shù)值模擬，得到鐵白銅在高溫狀態(tài)下的延展變形效果及擠壓力，再通過工藝試驗驗證了數(shù)值模擬的結(jié)論基本可靠；

⑵從工藝試驗中得到鐵白銅管件在擴口前必須加熱至可鍛溫度以上，且必須有足夠的保溫時間，否則無法發(fā)揮其優(yōu)越的延展性能，反而會容易破裂；

⑶坯料管的成形過程為擴口翻邊到最終閉式擠壓的過程，成形力將逐步增大，到最終充滿型腔時達到最大值；

⑷壓平?jīng)_頭凸頭必須有拔模斜度且潤滑充足，或者在上模設(shè)置脫料機構(gòu)，否則成形后的工件將極易抱緊上模，極難脫下；

⑸工件擠壓完成、噴砂處理表面氧化皮后，切削加工需要的端面及圓周即可，整體切削加工量不大于總重量的10%。

從以上可以得出，用這種工藝來生產(chǎn)銅質(zhì)法蘭管，大大減少了材料浪費率，并縮短了工期，經(jīng)濟效益較為顯著。