鄒 偉,蘇士昌

(1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，湖南 衡陽(yáng) 421002；2.武漢商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 信息與工程學(xué)院，湖北 武漢 430000)

0 引 言

鍛造是可以使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形后獲得優(yōu)越的性能的鍛件成形加工方法。通過鍛造這種方法，可以優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，并同時(shí)改善形成的鑄態(tài)疏松缺陷，而且還可以讓金屬流線保存完整，這就使得鍛件的性能要比同種材料的鑄件性能好[1]。目前，手工電鉆在許多場(chǎng)合都可以使用到，具有較高的增長(zhǎng)潛力。筆者研究的手工電鉆鉆體是一個(gè)重要的連接件，連接鉆頭和機(jī)身的部件。傳統(tǒng)鍛造工藝條件決定了鍛造具有一定的危險(xiǎn)性，且傳統(tǒng)鍛造工藝參數(shù)的選取通常采用試錯(cuò)法，實(shí)驗(yàn)周期太長(zhǎng)且效率低下。Deform-3D是對(duì)模具鍛壓成形過程的一種有限元仿真軟件。運(yùn)用Deform軟件對(duì)手工電鉆鉆體預(yù)鍛件進(jìn)行模擬分析和控制，能有效地降低手工電鉆鉆體模具生產(chǎn)周期，減少不斷改進(jìn)電鉆鉆體模鍛壓工藝參數(shù)帶來(lái)的昂貴的試驗(yàn)成本等，對(duì)于生產(chǎn)手工電鉆鉆體模具意義重大[2-4]。

筆者將采用Pro/E三維建模軟件建立了手工電鉆鉆體鍛壓成形有限元模型，生成STL格式文件后，導(dǎo)入到Deform軟件中進(jìn)行鍛壓成形數(shù)值模擬，通過改變不同的溫度和下壓速度工藝參數(shù)來(lái)研究電鉆鉆體模鍛壓成形質(zhì)量結(jié)果，得到較優(yōu)的工藝參數(shù)，可為工程技術(shù)人員生產(chǎn)手工電鉆鉆體模提供指導(dǎo)，具有較大的參考價(jià)值。

1 模擬結(jié)果及分析

1.1 模擬前處理

圖1是手工電鉆預(yù)鍛件的結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)體圖。

圖1 預(yù)鍛件

首先用三維建模軟件 Pro/E 繪出模具的三維圖和坯料的三維圖，然后將其轉(zhuǎn)換為STL文件格式以適應(yīng)DEFORM的格式。材料選用5120，國(guó)內(nèi)牌號(hào)為20Cr。圖2是坯料的結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)體圖。

圖2 坯料

1.2 模擬結(jié)果分析

圖3為成形過程顯示坯料先進(jìn)行鐓粗，而后逐漸與模具壁進(jìn)行接觸，最后充填滿型腔，坯料流動(dòng)均勻，且沒有折疊產(chǎn)生。

圖3 坯料成形過程

圖4為應(yīng)力圖顯示坯料成形最后內(nèi)部最大應(yīng)力位于坯料中部和底部，且應(yīng)力最大值800 MPa,表明此處坯料比較于其他部分受到了較大的應(yīng)力。

圖4 應(yīng)力圖 圖5 應(yīng)變圖

圖5為應(yīng)變圖顯示了在坯料成形過程中坯料與下模具接觸過程中發(fā)生了較大的塑性的變形，其應(yīng)變值較大，最高達(dá)3.57，表明此處塑性變形較為劇烈。

圖6為行程-載荷曲線圖顯示此鍛件在室溫下所需成形載荷為198 MPa,通過計(jì)算，其下模型腔應(yīng)力高達(dá)2000 MPa,此模具會(huì)發(fā)生早期疲勞失效，故此鍛件在室溫下成形是不合適的。

圖6 行程-載荷曲線

2 不同工藝參數(shù)對(duì)鍛造結(jié)果的影響

2.1 溫度的影響

在研究分析溫度對(duì)鍛造成型工藝的影響時(shí)，其他參數(shù)的設(shè)定是一定的，且對(duì)結(jié)果不會(huì)造成太大影響，經(jīng)過試驗(yàn)選定數(shù)值如表1所列。

表1 鍛壓成形過程工藝參數(shù)的設(shè)定

通過對(duì)于在不同溫度下鍛件的成形載荷的對(duì)比，由圖7我們能明顯看到隨著毛坯加熱溫度的增加，鍛件的成形載荷逐漸減小，在25 ℃時(shí)成形載荷為198 t，通過計(jì)算，此時(shí)下模型腔平均應(yīng)力1 945 MPa，此時(shí)應(yīng)力非常大，模具有出現(xiàn)打裂的趨勢(shì)。

圖7 不同溫度下的行程-載荷

在850 ℃和1 200 ℃下成形載荷較小，可以進(jìn)行此鍛件的成形?？紤]到在850 ℃下鍛件相對(duì)于1200 ℃下氧化皮較少和氧化脫碳現(xiàn)象輕微，所以采用850 ℃作為鍛造成形溫度。

2.2 速度的影響

上模速度在鍛壓過程中是一個(gè)重要參數(shù)，考慮它對(duì)鍛壓效果的影響，要將其他參數(shù)設(shè)定在適宜的值，以期獲得較好的比較效果。參數(shù)設(shè)定如表2所列。

表2 鍛壓成形過程工藝參數(shù)的設(shè)定

由圖8可以看到，在10 mm/s時(shí)鍛件底面角隅部分充填不足，在80和160 mm/s時(shí)完整充填，實(shí)驗(yàn)表明隨著上模下壓速度的不同，坯料的流動(dòng)和充填狀況也不同。

圖8 充型效果

由圖9可見，當(dāng)模具的下壓速度為10 mm/s時(shí)，成形載荷為81.9 t，在下壓速度為80和160 mm/s時(shí)成形載荷為73.7 t和71.8 t。可見，隨著成形速度的增加，成形載荷降低，且在1～80 mm/s時(shí)降低幅度較大，在80～160 mm/s時(shí)降低幅度較小。分析上述現(xiàn)象的原因主要是當(dāng)下壓速度較小時(shí)，坯料與模具接觸時(shí)間較長(zhǎng)，出現(xiàn)了較大的熱量損失，導(dǎo)致成形載荷較大，所以為了提高生產(chǎn)效率，采用160 mm/s的下壓速度進(jìn)行此鍛件的成形。

圖9 不同速度下的行程-載荷曲線

3 結(jié) 論

采用Pro/E三維建模軟件建立了手工電鉆鉆體鍛壓成形有限元模型，生成STL格式文件后，導(dǎo)入Deform軟件中進(jìn)行鍛壓成形過程數(shù)值模擬，數(shù)值模擬了鍛壓成形過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的兩個(gè)重要工藝參數(shù)：溫度和下壓速度。仿真結(jié)果表明：當(dāng)溫度設(shè)定為850 ℃時(shí)，下壓速度為160 mm/s時(shí)，此時(shí)手工電鉆鉆體模鍛壓成形質(zhì)量最好。該結(jié)果可為工程技術(shù)人員生產(chǎn)手工電鉆模具提供指導(dǎo)，具有較高的參考價(jià)值。