半軸套管零件熱擠壓成形數(shù)值模擬與分析

機加工過程中的問題半軸套筒是車輛底部的重要部件。它用于重負荷、強影響和振動。因此要求零件內(nèi)部組織致密,流線分布合理,抗疲勞強度高。采用普通模鍛顯然難以滿足上述技術(shù)要求。首先,由于零件太長,普通鍛件內(nèi)孔無法鍛出,需依靠機加工完成,費時費力,材料利用率低;其次,鍛造過程中形成的金屬流線,在內(nèi)外機加工過程中被破壞,嚴(yán)重地影響零件的力學(xué)性能和使用壽命。所以采用高效、節(jié)能的方法生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的半軸套管已成為生產(chǎn)中亟需解決的問題。本文采用DEFORM-3D軟件對半軸套管熱擠壓成形工藝進行數(shù)值模擬,分析變形過程中材料流動情況、溫度場分布和凸模載荷變化情況,合理預(yù)測成形缺陷,為半軸套管的實際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。1零件生產(chǎn)工藝分析圖1為某車用半軸套管,材料為45號鋼,從圖中可看出,該半軸套管屬于長軸類空心鍛件,而且是一個帶法蘭的變徑截面的階梯管件,其法蘭直徑與小端直徑之比較大,使該零件的鍛壓成形難度較大。根據(jù)熱擠壓工藝適用于擠壓中碳鋼深孔、薄壁零件,并具良好的金屬流線及變形強化的特點,結(jié)合該零件的形狀及材料,本文采用熱擠壓工藝制造該零件毛坯。根據(jù)文獻,以及對各道工序變形量的初步計算,尤其結(jié)合工廠生產(chǎn)實際情況,最終確定熱擠壓工藝方案:下料—加熱—制坯(鐓粗、沖孔)—正擠壓(含去沖孔連皮)—鐓粗法蘭,工藝過程如圖2所示。1坯料加熱方式根據(jù)體積不變原則,并考慮加熱燒損量,選用Φ80mm×114.5mm圓鋼坯料,為提高加熱質(zhì)量,同時便于與熱模鍛壓力機組成生產(chǎn)線,坯料采用中頻感應(yīng)加熱。在加熱過程中嚴(yán)格控制加熱溫度,根據(jù)材料加熱規(guī)范,45號鋼的始鐓溫度為1200℃,終鍛溫度為800℃。2沖孔或沖孔制坯包括鐓粗、沖孔,鐓粗的作用是去除氧化皮,獲得端面平整的鼓形毛坯,為沖孔做準(zhǔn)備,而沖孔則是為正擠壓空心桿部做準(zhǔn)備,避免擠壓內(nèi)孔的凸模長度與直徑之比過大的問題,同時也有利于減小壁厚差的產(chǎn)生。3空心桿的成形如圖2c所示,將制坯后(見圖2b)的毛坯放入正擠壓凹模模膛內(nèi),在帶有芯軸的凸模作用下,毛坯下端的金屬沿芯軸與凹模擠壓工作帶的孔徑所形成環(huán)形空間向下擠出,即可成形出外徑為Φ54mm、內(nèi)孔為Φ30的空心桿。因變形金屬同芯軸與擠壓凹模內(nèi)壁間存在摩擦阻力,所以空心桿內(nèi)、外表層的金屬流動會滯后于處在內(nèi)、外表層之間的金屬,因此,空心桿的下端面,其內(nèi)、外之間會出現(xiàn)弧形,有待機加工車削為平面。4粗成形的工件如圖2d所示,將正擠壓工件(見圖2c)放入復(fù)合成形凹模模膛內(nèi),在凸模下行過程中,當(dāng)工件頭部的金屬被鐓粗成形為法蘭的同時,會有少量多余的金屬沿芯軸與凹模擠壓工作帶的孔徑所形成的環(huán)形空間向下被正擠壓。2dego-3d模擬采用基于熱力耦合剛粘塑性有限元分析技術(shù),將工件視為剛塑性體,將凸模和下模模具視為剛性體。利用三維造型軟件Pro/ENGINEER獲得模具結(jié)構(gòu)(見圖3)及初始坯料的三維幾何模型,然后轉(zhuǎn)換成通用圖形格式STL導(dǎo)入到DEFORM-3D前處理的Geometry模塊中。模擬中,坯料材料牌號為AISI-1045,加熱溫度為900℃～1200℃范圍,材料模型采用剛粘塑性流動應(yīng)力模型σˉ=σˉ(εˉε???T)σˉ=σˉ(εˉε?-?Τ),模具材料牌號AISI-H-13,坯料加熱溫度為1150℃,模具預(yù)熱溫度為300℃,外界壞境溫度20℃,坯料與壞境的對流因子為0.02N/(s·mm·℃),與模具接觸面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為11。摩擦模型采用塑性剪切摩擦,摩擦系數(shù)為0.3。凸模擠壓速度50mm/s。根據(jù)零件的對稱性,取實體1/4進行計算,坯料劃分網(wǎng)格為30000個四面體單元。3熱擠壓形成過程的模擬結(jié)果分析3.1沖孔連皮厚度采用熱擠壓制坯工序,不僅解決了采用直接沖孔內(nèi)腔由于孔深較深而產(chǎn)生的壁厚難于控制、以及廢品率較高的缺陷,同時也使模具的強度得到了保證。坯料底部的沖孔連皮厚度影響到后續(xù)工序的成形。普通擠壓件的沖孔連皮厚度應(yīng)盡量小,以提高材料的利用率,但沖孔連皮厚度也不能過小,過小會出現(xiàn)底部被頂穿的現(xiàn)象,而且載荷急劇增大;沖孔連皮厚度也不能過大,過大將使后續(xù)去沖孔連皮的沖孔力大,工件可能出現(xiàn)不希望的變形。實驗證明,沖孔連皮厚度控制在7mm左右最為合適。圖4為制坯工序結(jié)束時坯料的應(yīng)變分布圖和溫度分布圖,從圖4a可看出,金屬變形主要集中在凸模下部,隨著凸模下行,變形區(qū)逐漸下移。從圖4b可看出,坯料在與型腔和凸模接觸的表面處溫度下降較快,但變形區(qū)的溫度一直保持在1180℃左右,其中最高溫度達到1190℃。圖5為凸模載荷-行程曲線圖。從圖中可以看出,在制坯的整個過程中凸模載荷較小,在制坯結(jié)束時由于形成了封閉型腔,載荷急劇上升,達到3485kN。在制坯過程中,當(dāng)凸模載荷達到圖5中的A點,即1817kN(達到設(shè)備噸位極限)時,就可結(jié)束制坯過程。此時仍可滿足后續(xù)擠壓工序的要求。3.2正擠凸模的變形溫度和應(yīng)變當(dāng)制坯完成之后,坯料是帶沖孔連皮的,所以正擠壓工序的凸模是帶芯軸的,凸模在正擠壓之前,隨著凸模下行,凸模芯軸先把沖孔連皮沖掉,再隨著凸模的進一步下行完成正擠壓過程。圖6為正擠壓工序結(jié)束時坯料的應(yīng)變和溫度分布情況,從圖6a可看出,變形主要集中在凸模芯軸與凹模形成的擠壓工作帶處。由于內(nèi)孔已部分成形,成形后的部分內(nèi)孔對正擠凸模具有導(dǎo)向作用,坯料在凸模的作用下產(chǎn)生軸向變形,金屬在規(guī)定的環(huán)形間隙中向下流動,坯料高度增加形成深孔,有利于減小壁厚差的產(chǎn)生,避免了擠壓深孔沖頭高經(jīng)比太大而彎曲失穩(wěn)現(xiàn)象。由圖6b可看出,正擠壓過程中,坯料在與模具接觸處溫度下降較快,但在擠壓工作帶的整個環(huán)形變形區(qū)溫度保持在較高水平,有利于金屬的塑性變形。圖7為凸模載荷-行程曲線。從圖中可進一步看出,變形區(qū)的溫度始終都在終鍛溫度之上,從而使正擠壓過程凸模載荷最大時也只有4800kN。3.3粗和b點之間的關(guān)系熱擠壓成形鐓粗法蘭工序是半軸套管熱擠壓工藝中最關(guān)鍵的一道,決定著整個工藝的成敗。圖8為鐓粗法蘭結(jié)束時坯料的應(yīng)變和溫度分布情況,圖9為凸模載荷-行程曲線圖。由圖8a和圖9中可以看出,鐓粗法蘭工序金屬變形可以分為3個階段:1)對應(yīng)凸模載荷-行程曲線,即圖9中的A點之前的曲線,隨著凸模下行,在凸凹模之間頭部的坯料發(fā)生鐓粗變形,坯料流入法蘭型腔之間,此時伴有極少量的金屬發(fā)生正擠壓向下流動,此階段載荷平穩(wěn)緩慢的上升;2)對應(yīng)圖9中AB段,隨著鐓粗的進一步進行,鐓粗進入打靠階段,法蘭型腔逐漸被充滿,大量金屬發(fā)生正擠壓變形流入桿部,此時,由于坯料接觸面增多,法蘭型腔充滿形成局部封閉型腔載荷急劇上升,從3001kN上升到10916kN;3)對應(yīng)圖9中B點之后的曲線,法蘭型腔已全部充滿,多余的金屬全部被正擠壓進入桿部,此時載荷在8622kN～10831kN范圍內(nèi)上下波動。由圖8b可看出,在鐓粗法蘭過程中,坯料在變形區(qū)溫度始終保持在終鍛溫度之上。為保證坯料在一次加熱后完成整個半軸套管的擠壓,在制坯和正擠壓工序中設(shè)備擠壓速度應(yīng)保持在一定水平之上,且在各個工序之間坯料轉(zhuǎn)移停留的時間不能太長,防止坯料溫度下降太快造成鐓粗法蘭凸模載荷過大。4影響熱擠壓形成效果的因素分析影響熱擠壓成形效果的因素很多,著重分析坯料加熱溫度、凸模擠壓速度和模具預(yù)熱溫度這3個主要因素對正擠壓成形效果的影響。4.1坯料加熱溫度對正擠壓成形效果的影響熱擠壓成形工藝一般是把坯料加熱到金屬再結(jié)晶溫度以上的某個溫度,以提高坯料塑性,降低其變形抗力。其他成形條件保持不變,加熱溫度分別取950℃、1050℃和1150℃,研究不同坯料加熱溫度對正擠壓成形效果的影響。圖10為不同坯料溫度下凸模載荷-行程圖,由圖中可看出,坯料加熱溫度越高,凸模載荷越小,當(dāng)坯料加熱溫度為1150℃時,凸模載荷最小。在金屬不產(chǎn)生過熱和過燒的前提下,坯料溫度越高,金屬變形抗力越小,所需設(shè)備噸位越小。通過與模擬結(jié)果進行比較,坯料始鍛溫度選用1150℃最為合適。4.2u3000最低溫度選用始鍛溫度1150℃,其他變量保持不變的條件下,研究不同凸模擠壓速度對成形效果的影響。根據(jù)擠壓機的速度特點,設(shè)定凸模擠壓速度分別為10mm/s、50mm/s和100mm/s。圖11為不同凸模擠壓速度下坯料溫度的分布情況,由圖中可看出,坯料整體溫度隨著凸模擠壓速度的增加而增高。當(dāng)凸模擠壓速度為10mm/s時,坯料最低溫度只有347℃,坯料最高溫度也只有1120℃,比坯料加熱溫度1150℃下降了30℃;當(dāng)凸模擠壓速度為100mm/s時,坯料最高溫度與坯料加熱溫度相比沒有降低反而上升了40℃,這是因為金屬變形產(chǎn)生變形熱,在后續(xù)的擠壓過程中可能導(dǎo)致坯料的過熱或過燒;當(dāng)擠壓速度為50mm/s時,坯料的最高溫度上升到1170℃左右,能滿足后續(xù)的擠壓要求。不同凸模擠壓速度下凸模載荷-行程如圖12所示,由圖中可看出,凸模載荷隨著凸模擠壓速度的增大而下降。當(dāng)凸模擠壓速度較小時,由于坯料溫度的下降導(dǎo)致凸模載荷顯著的增大;當(dāng)凸模擠壓速度較大時,由于坯料與模具的接觸時間短,坯料散失的熱量少,加之變形熱效應(yīng)的作用,凸模載荷較小。加熱溫度為1150℃的45號鋼,溫度散熱較快,因此在擠壓時,可以采用較高的凸模擠壓速度擠壓,以減少坯料與模具的接觸時間,減少坯料熱散失,同時降低模具的溫度,提高模具壽命。通過對不同凸模擠壓速度下坯料溫度分布和凸模載荷的分析,根據(jù)擠壓機的速度特點,綜合考慮,應(yīng)取凸模擠壓速度50mm/s較為合適。4.3不同模具預(yù)熱溫度對成形質(zhì)量的影響熱擠壓模具與其他鍛造模具一樣,在使用之前都需要預(yù)熱,以減少模具與工件間的熱傳導(dǎo),防止坯料溫度下降過快,同時避免模具因溫度變化過大而產(chǎn)生的應(yīng)力集中,降低模具使用壽命。在其他變量保持不變的條件下,研究不同模具預(yù)熱溫度對成形效果的影響。根據(jù)H13鋼模具預(yù)熱溫度區(qū)間,分別取100℃、200℃和300℃3種模具預(yù)熱溫度。不同模具預(yù)熱溫度下凸模載荷-行程如圖13所示,從圖中可看出,隨著模具預(yù)熱溫度的增大,所需的擠壓力不斷減小,但減小量并不顯著。當(dāng)模具預(yù)熱溫度較高時,坯料和模具的溫差較小,坯料溫度下降較小,所需的擠壓力較小。但當(dāng)模具的溫度過高時,模具的壽命急劇降低。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗,模具預(yù)熱溫度選用300℃較為合適。5粗法蘭生產(chǎn)的驗證在半軸套管的熱擠壓生產(chǎn)過程中,常常會在套管內(nèi)腔形成折疊。折疊的產(chǎn)生不僅減小零件的承載面積,而且極易在折疊處產(chǎn)生應(yīng)力集中,形成疲勞源而使零件斷裂,導(dǎo)致重大事故發(fā)生。因此對半軸套管來說,折疊是其致命的缺陷。采用制坯-正擠壓-鐓粗法蘭工藝成形半軸套管時,在鐓粗法蘭工序中,隨著凸模的下行,大量金屬流入法蘭型腔。模擬中發(fā)現(xiàn),如果在制坯和正擠壓工序中預(yù)成形的半軸套管圓形薄壁頭部高度較高時(如圖14所示),在半軸套管內(nèi)腔轉(zhuǎn)角處極易產(chǎn)生折疊,這是由于半軸套管圓形薄壁頭部高度較高,在鐓粗法蘭時大量金屬流入法蘭型腔導(dǎo)致薄壁頭部失穩(wěn)產(chǎn)生折疊;同時,由于法蘭型腔是由兩股金屬對流(如圖14中箭頭所示)匯合填充的,從而導(dǎo)致折疊。為避免折疊的產(chǎn)生,合理分配金屬對于套管法蘭的成形很重要。針對折疊產(chǎn)生的原因,在制坯和正擠壓工序中將預(yù)成形的半軸套管圓形薄壁頭部高度減小,避免在鐓粗法蘭工序中大量金屬流入型腔導(dǎo)致圓形薄壁頭部彎曲失穩(wěn)產(chǎn)生折疊,同時保證填充法蘭型腔的金屬只來自中間厚壁處(見圖15A處),以避免和頭部薄壁處的金屬匯流。如果半軸套管零件圓形薄壁頭部的高度較高,可在鐓粗法蘭工序中反擠成形。在制坯和正擠壓工序中減小半軸套管圓形薄壁頭部高度后,其鐓粗法蘭工序速度場分布如圖15所示,從圖中可看出,工藝改進后法蘭型腔的金屬幾乎全部來自中間厚壁處,金屬流動順暢,在內(nèi)腔拐角處沒有折疊傾向。從圖8b溫度場分布可知,圖15中A處的金屬溫度較高,但改進工藝后,圖15中A處不僅有效的避免了折疊傾向,而且在一定程度上有利于法蘭的成形,降低了凸模的載荷。對于半軸套管內(nèi)腔容易形成折疊缺陷,除了采取在制坯和正擠壓工序中減小半軸套管圓形薄壁頭部高度外,還可以通過在模具設(shè)計時,在滿足產(chǎn)品要求的前提下,在內(nèi)腔拐角(見圖15中R)過渡部位,盡可能采用較大的R,并力求過渡圓滑,以減少金屬在流動時遇到的阻力,避免折疊;另外,降低模具表面粗糙度和提供良好的潤滑,也可以減小金屬在流動時遇到的阻力,有利于工件內(nèi)腔的成形,同時可以減少因金屬流動速度不一致而導(dǎo)致的折疊。6熱擠壓液壓機模具設(shè)計根據(jù)模擬結(jié)果,采用上述工藝參數(shù),在12500kN熱擠壓液壓機生產(chǎn)線上進行實驗研究,該生產(chǎn)線上有熱擠壓液壓機3臺,5000kN熱擠壓液壓機用于制坯,10000kN熱擠壓液壓機用于正擠壓,12500kN熱擠壓液壓機用于鐓粗法蘭。坯料選用45號鋼,規(guī)格為Φ80mm×114.5mm,采用中頻感應(yīng)加熱,加熱溫度1150℃。模具型腔采用加熱的坯料進行預(yù)熱,預(yù)熱的溫度為300℃。擠壓時采用水溶石墨進行潤滑,同時也能起到冷卻模具的作用,可以減小模具表層溫度升高和