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        基于數(shù)值模擬的爪極鍛壓工藝研究現(xiàn)狀及展望(下)

        2017-09-12 08:05:59湯敏俊孫偉王玲江蘇龍城精鍛有限公司
        鍛造與沖壓 2017年17期
        關(guān)鍵詞:坯料成形模具

        文/湯敏俊,孫偉,王玲·江蘇龍城精鍛有限公司

        基于數(shù)值模擬的爪極鍛壓工藝研究現(xiàn)狀及展望(下)

        文/湯敏俊,孫偉,王玲·江蘇龍城精鍛有限公司

        《基于數(shù)值模擬的爪極鍛壓工藝研究現(xiàn)狀及展望(上)》見《鍛造與沖壓》2017年第15期

        數(shù)值模擬在爪極鍛壓成形工藝中的應(yīng)用實例

        ⑴爪極鍛造新工藝設(shè)計。

        河南科技大學的原國森等通過Deform-3D采用剛塑性有限元法對爪極分流正擠壓新工藝進行了數(shù)值模擬,具體模擬參數(shù)為:模具溫度300℃,工件材料為08#鋼,工件溫度1150℃,壓機速度為400mm/s,工件和模具間摩擦系數(shù)取0.25,摩擦模型采用剪切模型,工件和周圍環(huán)境傳熱系數(shù)為5N(s·mm·K)-1,工件網(wǎng)格數(shù)30000,步長前122步取0.3mm,122步以后取0.1mm,迭代方法選用直接迭代法。模擬結(jié)果顯示,坯料充填順利,爪尖飽滿平滑,豎爪根部圓角過渡圓滑,新工藝理論上可行(如圖5所示)。

        圖5 爪極分流正擠壓工藝數(shù)值模擬結(jié)果

        安徽工業(yè)大學的鄭光文等通過Deform-3D對爪極雙向閉式擠壓熱鍛工藝進行了數(shù)值模擬,具體模擬參數(shù)為:工件材料為10#鋼,溫度1100℃,模具溫度300℃,工件與模具摩擦系數(shù)0.3,擠壓速度50mm/s,工件與模具傳熱系數(shù)為11N(s·mm·K)-1,整個成形過程200步。模擬結(jié)果顯示該工藝能夠改善金屬的流動,降低成形力,提高材料利用率。

        ⑵爪極模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。

        江蘇大學的田輝等通過Deform-3D對爪極精鍛成形過程進行了數(shù)值模擬,并分析了模具的受力狀態(tài)。具體模擬參數(shù)為:工件溫度1200℃,模具材料為H13,初始溫度為300℃,工件與模具之間的摩擦系數(shù)取0.2,工件與模具間的傳熱系數(shù)為11N(s·mm·K)-1,采用Newton-Raphson迭代法。模擬結(jié)果顯示預(yù)鍛最后階段模具中部模膛圓角處的應(yīng)力達到1130MPa,爪部模膛邊緣處達到1880MPa,局部應(yīng)力達到2250MPa,超過了模具材料的抗拉強度極限。在此研究基礎(chǔ)上,文中提出了加深預(yù)鍛型槽爪尖處以及在終鍛型槽爪尖處增設(shè)溢流孔等模具結(jié)構(gòu)改進措施,使得模具易開裂部位的應(yīng)力下降44.2%,從而提高了模具使用壽命,改進后的模具應(yīng)力分布曲線如圖6所示。

        圖6 改進后的預(yù)鍛上模應(yīng)力分布曲線

        臺州學院的洪兵等通過有限元軟件對不同模具結(jié)構(gòu)的爪極成形過程進行了數(shù)值模擬,并對鍛造成形載荷等進行了分析。具體模擬參數(shù)為:工件材料為DIN15,模具材料為H13,工件初始溫度1200℃,模具初始溫度200℃,工件與模具傳熱系數(shù)為11N(s·mm·K)-1,環(huán)境溫度為20℃,工件與環(huán)境的對流系數(shù)為0.02N(s·mm·K)-1,工件網(wǎng)格數(shù)100000,模具網(wǎng)格數(shù)100000。模擬結(jié)果顯示增加爪極預(yù)鍛下模爪膛過渡圓角有利于金屬流動,能夠有效減少鍛造過程中的模具磨損;在預(yù)鍛下模模膛增加沖頭狀凸起,能夠大幅度降低鍛造載荷,減小約47.3%。

        ⑶爪極初始毛坯形狀設(shè)計。

        武漢理工大學的高永超等通過Abaqus,采用剛粘塑性有限元法對兩種不同形狀的初始坯料進行了數(shù)值模擬,具體模擬參數(shù)為:工件材料為10#鋼,溫度1100℃,壓機速度100mm/s,工件與模具的摩擦系數(shù)取0.25,初始坯料a的尺寸為φ50mm×89.5mm,初始坯料b的尺寸為φ70mm×45.7mm。模擬結(jié)果顯示初始坯料a和初始坯料b在相同工藝參數(shù)下均獲得了充填良好的鍛件,但初始坯料b在成形過程中金屬流線變差,而初始坯料a在成形過程中金屬流線始終保持順暢。

        西安交通大學的楊程等通過Deform-3D對三種不同形狀的初始坯料(圖7)進行了數(shù)值模擬,具體模擬參數(shù)為:工件材料為10#鋼,工件初始溫度1100℃,工件網(wǎng)格數(shù)30000,模具材料為H13,模具初始溫度200℃,模具網(wǎng)格數(shù)8000,工件與模具的摩擦系數(shù)取0.3,工件與模具傳熱系數(shù)為11N(s·mm·K)-1,環(huán)境溫度為20℃,工件與環(huán)境的對流系數(shù)為0.02N(s·mm·K)-1,上模速度為100mm/s。模擬結(jié)果顯示三種不同形狀初始坯料的載荷行程曲線都有相似的形狀,采用不同初始坯料在同樣的工藝參數(shù)下均獲得了充填良好的鍛件,且最大載荷都在1400kN左右,不同初始坯料形狀對成形結(jié)果影響不大。

        存在問題和研究展望

        適用于爪極工業(yè)化生產(chǎn)的鍛壓工藝研究較少

        圖7 三種不同初始坯料形狀

        根據(jù)上述對國內(nèi)爪極鍛壓工藝研究的現(xiàn)狀可知,目前能夠適用于爪極工業(yè)化生產(chǎn)的鍛壓工藝多是由企業(yè)提出,而由高等院校里學者提出的新工藝大多只能停留在實驗室階段。這主要是由于高等院校里的學者大多偏重于考慮能夠體現(xiàn)技術(shù)先進性的指標、如工序數(shù)少、成形力小、材料利用率高等,但是往往忽略一個新的鍛壓工藝要適用于工業(yè)化生產(chǎn)未必需要局部單個技術(shù)指標最優(yōu),而是要各項技術(shù)指標均衡,應(yīng)用于實際生產(chǎn)時經(jīng)濟性最好。從這個角度來看,目前國內(nèi)外的爪極鍛壓新工藝研究大多都體現(xiàn)了廣度和單個技術(shù)指標的先進性,而對于能否應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)等體現(xiàn)工程應(yīng)用研究深度的問題,比如工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、工藝設(shè)備的技術(shù)要求和使用壽命、工藝應(yīng)用的必備條件等,由于試驗條件所限都避而不談。

        爪極鍛壓工藝數(shù)值模擬的可靠性和適用性研究較少

        根據(jù)上述爪極數(shù)值模擬的實例研究可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)用于數(shù)值模擬的關(guān)鍵參數(shù),比如材料的本構(gòu)模型、模具與工件的摩擦條件等都是直接引用商業(yè)化數(shù)值模擬軟件自帶的數(shù)據(jù)庫,但是對于這些參數(shù)是否和實際吻合均未做可靠性驗證,這會導致數(shù)值模擬的結(jié)果和實際生產(chǎn)測試的結(jié)果產(chǎn)生較大的出入,失去數(shù)值模擬的應(yīng)有作用。此外,以上所有案例對于數(shù)值模擬的適用性,比如說運算時間和效率等未作考慮,而實際生產(chǎn)中設(shè)計周期是很關(guān)鍵的考慮因素。

        熱鍛自動化是未來爪極鍛壓新工藝研發(fā)的方向

        自動化鍛造是目前國內(nèi)鍛壓企業(yè)關(guān)注的熱點問題,但是由于上述兩個問題的存在,導致目前在爪極鍛壓工藝工業(yè)應(yīng)用和數(shù)值模擬方面均缺乏可靠的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)和參考標準,進而大大增加了爪極熱鍛領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化生產(chǎn)的難度。盡管難度不小,然而出于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性等原因考慮,實現(xiàn)爪極熱鍛自動化又是眾多爪極制造企業(yè)未來若干年不得不面對的現(xiàn)實問題,同時這也給廣大從事爪極鍛壓工藝開發(fā)的技術(shù)人員提出了新的研究課題和研發(fā)方向。

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