金屬穿線軟管成形新工藝研究
2016-3-9 14:42:30點擊：
1、概述
常規的管接頭加工工藝，由于材料利用率低、能耗大、生產效率低已經無法滿足現代工業的生產要求。冷鍛作為一種耗材少、效率高、性能優越的少無切削加工工藝，近年來在精密塑性成形中得到迅猛發展。
精密塑性成形得到的制件，要有較高的尺寸精度和表面光潔度，無需再經加工或只有很少部位需要磨削、電解或化學加工等精加工，就能裝配到機器上。它不僅能獲得表面質量好、機械加工余量少和尺寸精度高的制件，而且更能提高材料利用率，并使零件輪廓的金屬流線合理分布，提高零件的載荷能力。目前一般模鍛件能達到的尺寸精度為±0.1～±0.25mm，而精鍛成形一般為±0.05mm。
2、零件工藝性分析
本文研究的不銹鋼接頭體零件件屬于管接頭零件，來源于河北圣雪葡萄糖廠，該零件材料為，中部為一六方形，上下為圓柱，中間為通孔，外型復雜，給加工帶來了一定的難度。該零件廣泛應用于壓力管道的連接，由于該零件工作環境惡劣，需受較大的壓力及腐蝕。目前采用型材切削加工、鑄造后機械加工，切削加工后焊接這三種制造方法生產。由于鑄造件缺陷較多、廢品率高、力學性能差，無法滿足零件的工作要求，已逐漸淘汰；現主要采用型材切削加工和分段切削加工后焊接的方法來生產，生產效率低，材料浪費率高。因此，尋求一種適應接頭體零件生產的新方法，采用具有材料消耗低、產品質量好、生產周期短、成本低等優點的新工藝，將會獲得十分顯著的經濟效益。
本文擬采用鐓擠結合的復合成形工藝來成形此類管接頭零件。鐓擠能否成形主要取決于合適的工藝設計。對于任何鐓擠件，其變形工序主要取決于零件的復雜程度、材料成形性能和變形程度。由于接頭體零件的外部是復雜形狀的組合，變形程度大，由于該零件外形為中間通孔，坯料的外形可分為棒料及管料兩大類進行討論。在接頭體零件的鐓擠變形過程中可劃分為3個階段；反擠階段(棒料有，管料無此階段)，鐓粗階段、六方型腔充滿階段。
反擠階段：從凸模與坯料端面接觸時開始，此階段變形體高度增加，坯料部分沿徑向向外流動的同時另一部分向凸模運動相反方向流動。
鐓粗階段：從凸模接觸時開始，到坯料外表面與模腔側壁接觸時為止。此階段變形體高度減小，材料沿徑向向外流動，變形特征為鐓粗。
六方型腔充滿階段：從鐓粗階段結束時開始，到全部充滿型腔為止。此階段的材料流動情況最復雜，可將其劃分為兩個小階段來進行研究和分析。將六方型腔充滿階段看成是由型腔主體與六方角部組成的話，則型腔主體部分充滿過程為第一階段，角部的充滿過程為第二階段。最難充滿型腔概念的確定，為型腔充滿階段確定了完整的研究對象：因為最難充滿型腔也是最后充滿型腔，其充滿過程貫穿型腔充滿階段全程。
3、鍛擠成形數值模擬分析和試驗研究
在金屬穿線軟管鐓擠復合工藝的工藝分析中，我們采用了DEFORM軟件進行成形過程的模擬。DEFORM作為一個強大的體積成形軟件，能夠對鍛造和其他成形過程進行模擬，如鑄造、焊接、機加過程和熱處理，并能進行經濟評估和優化。對于不銹鋼接頭體零件鐓擠成形而言，為了降低不銹鋼接頭體零件的鐓擠力，在產品設計已確定不能更改的情況下，只能從工藝設計的角度，采取最優工藝參數來降低鐓擠力。研究表明，坯料的形狀，硬度、摩擦、斷面縮減率、模角2a等因素對接頭體零件的鐓擠力都有影響。
本文利用DEFORM軟件對金屬穿線軟管成形進行三維剛塑性有限元的數值模擬，模擬的初始條件：
1)坯料材料：AISI-321，由于DEFORM-3D自帶材料庫中包含此材料數據，可直接調用。
2)鐓擠溫度：在鐓擠變形中，采用冷鐓機成形，設定溫度為室溫20℃，
3)凸模進給速度：由于實驗采用YT32-315四柱液壓機，該液壓機下壓速度為5mm/s，故在數值模擬計算中選取凸模進給速度為5mm/s;
4)摩擦條件：剪切摩擦，取摩擦因子0.08、0.12和0.30分別討論；
5)模擬步長：在不銹鋼接頭體零件鐓擠的數值模擬中，數值模擬步長是決定數值模擬計算時間的兩個重要因素之一。在DEFORM-3D的數值模擬中，一般認為模擬計算中步長為最小單元體長度的1/3～1/5，網格劃分后，經測量后確定0.1mm／次。
6)在模擬計算中，根據金屬穿線軟管鐓擠變形的特點，設定凸模向下運動，凹模固定不動。
7)管接頭體零件具有循環對稱性，可將計算模型簡化為整體模型的1／2，即取坯料的I／2建模。這種簡化既能節省計算時間，又能直觀的觀察坯料的變形情況。
在數值模擬已得的結果上，我們利用試驗對數值模擬的結果進行驗證。它不僅用來檢驗數值模擬的準確性，而且，實驗研究本身又能夠定量分析塑性成形應力、應變狀態等的一種行之有效的方法。
實驗采用天津鍛壓設備廠生產的YT32-315四柱液壓壓力機，模具鋼選用高速鋼，這是因為高速鋼具有高的硬度，紅硬性和耐磨性，同時兼有適當的韌性及可磨削性，高速鋼在冷擠壓模具中的應用比重越來越高，且以570~600℃回火使用的w18Cr4V、W6M05Cr4V、6W6M05Cr4V鋼為主流。
在與數值模擬相同的邊界條件下進行鐓擠試驗，得到制件，如圖所示
圖1 鐓擠制件
4、結論
本文對不銹鋼接頭體零件的鐓擠成形過程進行了數值模擬和實驗研究，得出以下結論：
1)通過分析不銹鋼接頭體零件形狀尺寸特點，采用數值模擬技術與工藝實驗相結合的方法，確定了不銹鋼接頭體零件鐓擠成形的可行性。
2)在對不銹鋼接頭體零件鐓擠成形過程數值模擬分析的基礎上，確定了鐓擠成形方案和模具結構，進行了工藝性實驗分析，初步獲得了成形工藝參數并成形出復合尺寸要求的零件，所提出成形方案和模具結構可以完成不銹鋼接頭體零件鐓擠工藝過程。
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