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承插弯头分模锻造成形工艺设计与试验研究
作者:孟村弯头 时间：2019-07-23 10:44
1、模锻工艺过程路线
本课题采用分模锻造工艺成形DN40型90°承插弯头锻件，其锻件图的设计参见第2章。由于该锻件尺寸较大，需采用热锻成形工艺，从而能够实现在较小吨位的压力机上成形。根据分模锻造工艺的特点和承插弯头锻件的形状特征，制定模锻工艺过程路线为：下料→加热→分模锻造成形。该工艺相对普通模锻成形承差弯头工艺可以省去预锻工序，并且能够实现在一次加热下完成承插弯头的成形。
2、试验设备与模具结构
2.1、试验设备
为了有效提高承插弯头的生产效率，提高材料利用率及节约能源，根据上文所制定的模锻工艺过程路线，需选用合适的试验设备。
（1）下料方式及设备
由于分模锻造属于无飞边的闭式模锻，因此对下料尺寸的要求严格；同时为提高生产效率，保证生产节拍的合理性，选用带锯下料方式同时对多根棒料进行锯切，提高下料效率。所用设备为GZ4230/50卧式带锯床，如图4-1（a）。
（2）加热方式及设备
一般的加热方式由火焰加热和电加热两大类。本课题选用电加热中的中频感应加热方式进行坯料加热，所用设备为Φ70中频感应加热炉，如图4-1（b）。该种加热方式的加热效率高，能源利用率高，且有利于保证生产节拍和生产线的合理布置。
（3）锻造设备
由于机械式压力机的生产效率明显高于液压式压力机，并且能够有效降低设备费用投入。本课题选用常用的JA31-400型闭式单点压力机（图4-1（c）），并装载分模锻造专用模架进行承插弯头的分模锻造成形。
2.2、滑块式自锁式分模锻造模具结构
为实现承差弯头的分模锻造成形，本文设计了一种滑块自锁式分模锻造模具结构，从而实现可分凹模的开模和合模，以及所需冲头的运动形式，如图4-2。在凹模7中镶入用于成形承插弯头所设计的芯模8，并通过凹模压板3将凹模7固定在凹模套2中，主冲头6安装在压力机上滑块上，侧冲18头安装在侧冲头底座17上。图4-2（a）右侧部分为该模具的开模状态，此时凹模7在顶杆15和定位托盘16的作用下沿T型槽上划并使得芯模8的两半模分开。随着顶杆15和定位托盘16下移，凹模套2沿着T型槽划入凹模座1中，并带动凹模7和芯模8合模。与此同时，侧冲头底座17带动侧冲头18也沿着T型导轨下滑，与芯模一并构成模腔。此后，将加热后的坯料放入模腔，主冲头6随压力机滑块下行，对坯料进行施压，从而成形承差弯头锻件。由于凹模套2与凹模座的接触面（T型槽斜面）与垂直方向的夹角很小，凹模套2在凹模座1中发生自锁现象，传递到凹模套2上的变形抗力不会使凹模套2发生向上滑移而张开，此时凹模座1对凹模套2的反作用力提供该可分凹模的合模力。承插弯头锻件成形后，压力机开始回程。此时顶杆15和定位托盘16在压力机的作用下推动凹模套2，使得凹模套沿着T型槽上划，从而打开凹模7和芯模8，同时侧冲头底座17也沿着T型槽上移，使得侧冲头18后撤，从而与承差弯头锻件脱离，最终取出承差弯头锻件。
图4-3为根据上述滑块自锁式分模锻造模具结构所制造的模架。图4-4为根据热锻件图尺寸所制造的DN40型承插弯头的芯模。将芯模和冲头装入滑块自锁式分模锻造模架内，再将该模架装载到闭式单点压力机内，从而可以进行承插弯头分模锻造成形。
3、工艺过程参数
为保证承插弯头分模锻造成形工艺的顺利进行，本试验需确定以下工艺参数：坯料材料、尺寸与初始温度，坯料与模具间的润滑条件，模具材料及预热温度和冲头的运动路径。
（1）根据产品的要求，选用25钢成形承插弯头。25钢的可锻温度为800℃~1200℃，根据第2章的有限元分析结果，将坯料加热到始锻温度1150℃，既能有效降低所需成形力，又能防止锻件过热过烧。
（2）根据热锻件尺寸，计算其热锻件体积为V锻=161482.8mm3，由于采用中频感应加热方式对坯料进行加热，其金属的火耗率通常为 0.5%~1.0%，根据方程（4-1）计算坯料体积范围为162290.3mm3≤V坯≤163097.7mm3
V坯=V锻(1+δ) （4-1）
其中V锻为冷锻件体积， V坯为坯料体积，δ 为火耗率。根据第2章有限元模拟结果得出，较小的坯料高径比有利于提高变形的均匀性和温度分布的均匀性。根据GB/T702-2008热轧圆钢和方钢尺寸外形重量及允许偏差，选用 d坯=φ56mm圆钢。根据方程（4-2）计算其坯料长度范围为65.9mm≤L坯≤66.2mm 。
L坯=4V坯/（π.d2坯）（4-2）
根据以上分析及计算结果，确定坯料的下料尺寸为φ56mm×66+0.2-0.1mm 。
（3）在成形过程中，保持坯料与模具间的良好润滑条件，能够有效降低成形力，降低模具的失效率，以及提高锻件的表面质量，因此需合理的选用润滑剂和润滑方式。在热锻中， 坯料与模具间的单位接触压力一般可达800MPa~1200MPa，成形温度通常在800℃以上，因此难以形成润滑膜，故通常采用液体润滑剂进行润滑。热锻润滑剂种类较多，用于锻钢材料的润滑剂主要有石墨润滑和玻璃润滑两大类。润滑剂的使用方式可以分为喷涂于模具上，喷涂于热坯料上，加热前喷涂于坯料上三种方式。充分考虑生产成本和润滑效果，选用石墨水悬浮乳液较为理想，并采用较为容易的喷涂于模具上的使用方法。该种润滑方式在1000℃的摩擦系数约为0.1376。
（4）选择合理的模具材料，保持良好的模具预热，能够有效的提高模具的使用寿命，降低模具费用的投入。本课题充分考虑批量生产承插弯头的要求，选用H13热作模具钢，预热温度为300℃。
（5）本试验所采用的滑块自锁式分模锻造模具结构，其侧冲头在可分凹模合模时已经运动到最终位置，故在成形过程中仅有主冲头对坯料进行加载，其加载速度取决于压力机滑块的下行速度。
4、试验结果分析
图4-5为在机械压力机上运用滑块自锁式分模锻造模具结构成形承插弯头的成形过程与有限元模拟结果的对比图。
从图4-5可以看出，上管体先于侧管体成形；在侧管体的成形过程中，下方的金属流动比上方的金属流动速度快，因此侧管体的成形顺序是从下往上逐步填充完成。试验的成形过程与有限元模拟过程中的成形过程非常接近，从而验证了有限元模型的准确性。图4-6为最终成形的承差弯头锻件与模拟锻件对比图。图中可以看出，试验所得承插弯头的成形效果良好，与有限元模拟结果非常接近，证明了工艺方案及工艺参数的合理性。但该锻件上仍然存在较小的飞边，包括分模面上的横向飞边和管体两端面上的纵向飞边。这是由于该套滑块自锁式模具结构的合模力是由凹模座对凹模套的反作用力所提供，属于被动加载方式，同时由于模具加工精度以及模具各零件间存在配合精度的范围，因此在成形力较大时，可分凹模间仍会出现缝隙，从而产生飞边。同样的，两冲头与可分凹模间通过间隙配合进行装配，并且由于模具加工精度以及长期使用后的磨损，使得锻件在管体两端面间容易出现微小的纵向飞边。
