基于deform-3d的销轨热锻成形过程数值模拟

基于deform-3d的销轨热锻成形过程数值模拟

近年来，随着采矿业的快速发展，采矿业销售厂的业务类型已向高强度、高、长、重型化发展。传统的分体焊接法、锻焊组合法及整体铸造法越来越难以满足其使用性能要求。刘战胜等提出将轨板和销齿设计成一个整体,采用整体模锻的方法成形销轨。王海洋等对销轨的特点及可选锻造工艺流程进行了综述。蒋鹏等分析了销轨锻造特点、成形难点及关键技术。杨勇等列举了3种典型的销轨锻造工艺,即自由锻制坯—锤上模锻工艺、辊锻制坯—热模锻压力机上模锻工艺及辊锻制坯—摩擦压力机上模锻工艺,并对辊锻制坯—摩擦压力机上模锻工艺进行了数值模拟和工艺试验。从已有的研究成果来看,对于辊锻制坯—热模锻压力机上模锻工艺的成形规律未见有报道。本文以40Mn2材质的某销轨为研究对象,采用辊锻制坯—热模锻压力机上模锻工艺,建立销轨成形有限元模型,借助Deform-3D有限元软件模拟整个成形过程,根据模拟结果分析其成形规律,并进行了工艺试验验证。1销售和钻孔工艺1.1联宣传板及基本特点图1所示为某销轨锻件二维简图,由轨板、联接轨板及中间6个销齿构成,销齿为等节距排列,节距为126mm,两轨板总长分别为748和730mm,高度分别为173和100mm,锻件总宽为152.6mm,其中联接轨板两端各有一个凸耳,凸耳高度为73mm,材料为40Mn2,锻件重量约为57kg。由图1可知,销轨为大型复杂长轴类锻件,具有以下成形特点:(1)沿轴线方向各横截面面积变化大;(2)联接轨板两端凸耳部分高度大且宽度较窄,金属不易充满型腔;(3)销齿外轮廓型线较为复杂,齿孔处锻造连皮薄,温度下降较快,金属不易流动,容易产生折叠。1.2金属坯料充填困难针对销轨锻件成形特点,结合工厂车间实际设备配置情况,确定采用辊锻制坯—热模锻压力机上模锻工艺,其工艺流程为:热模锻压力机主要靠静压力使金属坯料充填成形,具有金属在水平方向上容易流动,而高度方向充填较困难的成形特点。销轨联接轨板两端凸耳部分对应在锻模上就是两处深而窄的型腔,锻件成形过程中金属坯料充填困难,很容易造成充不满缺陷。为了促使金属坯料充满这两处型腔,在预锻模上联接轨板凸耳部分对应的模膛外围增设阻力墙,使金属坯料在水平方向上的流动受到限制,而流向阻力较小的模膛,最终得到充填饱满的锻件。2材料来源及热模锻模拟采用Φ150mm×520mm圆棒坯作为原始坯料,利用UG软件进行辊锻模、预锻模及终锻模三维建模,将得到的stl格式文件导入Deform软件,对销轨锻造成形过程进行热力耦合有限元模拟。模拟参数设置如下。(1)销轨材料为40Mn2钢,由于Deform材料库中没有这种材料的性能参数,模拟时用力学性能相近的40Cr钢代替,材料牌号为AISI-5140。(2)模具材料:辊锻工步在1000mm辊锻机上进行,采用椭圆—圆型槽系完成拔长制坯过程,两道次辊锻模、预锻模与终锻模材料均为5CrNiMo,牌号为AISI-L6。(3)温度条件:坯料原始温度设为1200℃,环境温度为20℃,辊锻模温度设为150℃,预锻模与终锻模预热温度设为200℃。(4)摩擦条件:两道次辊锻过程,坯料与辊锻模之间的摩擦系数按照剪切摩擦模型干摩擦热锻工况默认值选取,取为0.7;预锻与终锻过程,坯料与锻模之间的摩擦系数按照剪切摩擦模型良好润滑热锻工况默认值选取,取为0.3。(5)热传导系数:坯料与空气换热系数取为0.02N·mm·(s·℃)-1,辊锻模、预锻模及终锻模与坯料之间的热传导系数取为11N·mm·(s·℃)-1,模具与空气换热忽略不计。(6)运动参数:辊锻模旋转角速度按1000mm辊锻机实际转速取为0.25r·s-1;热模锻压力机滑块运行速度取为常数值250mm·s-1[9-10]。(7)模拟步长:两道次辊锻过程,取时间步长为0.2s;预锻与终锻工步,取位移步长为1mm。3模拟结果分析3.1坯料的温度分布图2所示为销轨成形过程中各工序结束时金属坯料的温度场分布。第一道辊锻开始时,坯料的原始温度为1200℃,辊锻结束时坯料温度有所下降,如图2a所示。其中,辊坯变形区温度下降比较明显,这是由于变形区金属长时间与辊锻模接触,受到模具的激冷作用,温度迅速下降。在变形区部分,从椭圆型槽长轴向短轴方向过渡,坯料温度呈递减趋势,这是因为坯料变形量从型槽边缘到中央区域逐渐减小,产生的变形热也逐渐减小,导致对温度补偿作用逐渐减小。沿着变形区首端向末端方向,坯料温度逐渐降低,经过对辊锻变形特征分析可知,坯料变形量从变形区首端到末端逐渐减小,因此,最低温度出现在变形区末端,降至1090℃。第二道辊锻过程中,温度场变化规律与第一道辊锻基本一致,坯料变形区温度明显降低。值得注意的是,第二道辊锻后,第一道辊锻变形区对应的坯料温度有所回升,这是因为第二道辊锻导致这部分金属也产生了一定的变形,从而产生的变形热补偿了温度损失。此外,不参与变形的两端头部分坯料由于暴露在空气中,与空气发生了热交换,温度也稍有降低。图2c为预锻后坯料的温度分布情况。变形过程中,锻模首先与坯料两端料头及中间销齿、齿孔连皮对应的部分接触,而且预锻结束后,这部分坯料厚度较薄,热损耗较大,尤其是齿孔连皮区域温度最低,降至886℃左右。工件两轨板区域由于用挤压方式填充模膛,变形热和摩擦产生的热量较大,补偿了温度损失,因此温度下降较少,均在1100℃以上。预锻件飞边区域温度也较高,这是因为这部分坯料在预锻过程中与锻模的摩擦效应较为显著,而且预锻后期还受到锻模阻力墙的阻碍作用。图2d为终锻完成时锻件的温度场分布。与预锻后比较,锻件的最低温度从886℃回升至902℃,销齿及齿孔连皮处等明显温降区域范围扩大了,两轨板区域温度有所下降。终锻完成后,锻件整体温度仍然较高,均在900℃以上,能够满足后续热切边工艺对锻件的温度要求。3.2第二道辊锻工序变形特点及规律等效应变场揭示变形体不同部位材料的变形程度,销轨锻造成形各工序结束时金属坯料的等效应变场分布如图3所示。辊锻工序采用椭圆-圆型槽系将初始圆棒料辊成阶梯形轴杆状锻坯,为后续模锻工序完成坯料的体积分配,该工序主要完成对锻坯细杆部分的拔长。因此,两个道次的辊锻过程中,变形都集中发生在坯料需要拔长的中间细杆部分。如图3a所示,在第一道辊锻过程中,杆部金属与辊锻模接触的上表面和下表面部分变形较大,两侧面受到上、下表面形变产生的拉应力,也发生了一定的变形;该阶段最大变形出现在坯料被咬入的后壁部分,这是因为坯料开始处于静止状态,被咬入后随着辊锻模一起运动,而坯料加速到与辊锻模同步需要一段时间,因而辊锻模带着速度滞后的坯料走过的角度较大,由于越靠近中性线的位置辊锻模压下量越大,这就导致坯料这部分变形较大。由图3b可知,坯料转过90°后进入圆形型槽,与第一道杆部两侧面对应的部分产生较大变形,得到的锻坯杆段部分变形比较均匀,但在第一道辊锻主变形区与第二道辊锻主变形区相交部分变形达到最大。由图3c可知,与辊锻过程相比,坯料在预锻过程中变形较大,最大等效应变从第二道辊锻结束时的1.81增至9.48,增幅显著。预锻工序主要完成轨板与联接轨板的基本成形以及销齿部分材料的预分配。两个轨板部分因为高度尺寸较大,压缩变形量较小,应变值也较小。销齿部分与锻坯圆截面顶端附近区域对应,较早发生接触变形,而且这部分最后的高度尺寸较小,因此,变形量较大。预锻件飞边区域整体产生了较大变形,最大应变值出现在与预锻模环形阻力墙对应的飞边区域。终锻工序主要完成销齿部分成形及轨板部分的精整。如图3d所示,在终锻过程中,销齿部分发生较大变形,尤其是齿孔连皮部分变形明显;轨板部分属于等效应变最小区域,最小应变值仅从预锻的0.611增至0.671,变形增量较小;随着工件各部分精确成形,多余坯料继续向飞边区域流动,工件与飞边过渡处变形较大。3.3预锻阶段内联宣传塑性体变形时,材料的流动规律可以通过对其变形过程中速度场变化情况分析得到。辊锻制坯具有局部连续累积成形的特性,材料流动速度较小,并且它属于通用性的成熟工艺,因此,不对其金属流动规律进行分析。销轨预锻与终锻过程中坯料速度场分布情况如图4所示。预锻开始后,材料随上模向下移动的同时在水平方向上向四周流动,当材料流动到两个轨板所在的模膛区域时,则沿着型腔向上和向下充填。如图4a所示,轨板与联接轨板中间较矮部分由于高度较小,材料充填比较容易,预锻开始后较短时间内轨板就充满了,联接轨板中间较矮部分也基本充满,仅有齿孔连皮处仍有少量金属流动;联接轨板凸耳部分由于型腔较深,充填较困难,因此,在预锻中后期,联接轨板两端凸耳附近的坯料受到阻力墙的强烈阻碍作用,主要流向未充满的凸耳模膛。图4b显示,预锻结束时,联接轨板凸耳部分已基本充满,只有顶面和侧面的过渡圆角处仍有极少的金属流动;中间销齿部分也完成了材料的预分配。如图4c所示,在终锻进行过程中,坯料随上模下行而向下移动,直至工件下底面与下模接触。当工件下底面与下模接触后,上模继续下行,工件齿孔连皮变薄,材料向邻近的销齿部分、轨板与连皮接触根部及飞边区域流动。图4d显示,到终锻完成时,销齿与齿孔连皮成形结束,联接轨板凸耳与两端销齿过渡台阶处仍有极少金属流动,说明该部分过渡圆角处可能会有轻微的塌角;两个轨板与飞边过渡区域仍有少量的金属流动,可见,随着终锻工序对轨板部分尺寸的精整,轨板部分会有少量的多余金属向飞边流动。4现场试验过程根据上述模拟结果,工艺试验的工艺流程和设备确定如下:下料加热(中频感应加热炉)制坯(1000mm辊锻机)预锻(80MN热模锻压力机)终锻(80MN热模锻压力机)切边(10MN切边压力机)冲孔(16MN油压机)。图5所示为该销轨锻造过程与得到的样件,经过现场实际测量,销轨锻件的形状和尺寸满足锻件图设计要求,表面质量良好,未出现折叠和充不满等缺陷。生产试制过程中,热模锻压力机工作状况良好,未出现锻不足与闷车等不良情况,模锻后锻件温度较高,能够满足热切边的温度要求。5中小型效应变场模拟(1)在销轨的辊锻制坯—热模锻压力机模锻工艺中,分两道次辊锻获得锻坯,预锻实现轨板与联接轨板的基本成形以及销齿部分金属坯料的预分配,终锻对轨板与联接轨板进行尺寸精整,并成形销齿部位。(2)坯料成形过程中的温度场模拟结果表明,坯料在终锻结束时最低温度仍高于900℃,能满足锻件热切边的温度要求;成形过程中等效应变场的模拟结果表明,锻造过程中销齿与齿孔连皮部位变形较大,预锻