（材料加工工程专业论文）不锈钢接头体零件的镦挤复合工艺研究.pdf

摘要 摘要 不锈钢接头体零件是压力管道连接的重要零件。采用传统的铸造方法及切削加 工后焊接成形的不锈钢接头体零件容易出现内部缺陷，存在废品率较高的问题，同 时也降低了其使用寿命。型材切削加工成形虽然能满足使用要求，但生产率低，材 料浪费率高。镦挤成形是节材、高效的精密塑性成形工艺，不仅可以满足零件的质 量要求，而且可以节省材料和加工时间，降低加工成本。 本文分析了不锈钢接头体零件的特点，提出了采用镦挤成形工艺生产接头体零 件的方法。分析了坯料采用管坯、棒料成形时的可行性。采用有限元分析方法对零 件成形过程进行了数值模拟分析，获得了零件在成形过程中应力、应变、速度场的 分布情况等材料流动规律和载荷行程曲线：得到了模角2 a 对镦挤成形力的影响曲线； 坯料形状对镦挤和材料流动的影响，并以此为依据对成形参数进行了优化设计。研 究了模具形状和坯料尺寸的优化方案。 根据制定的工艺方案，对不锈钢接头体零件的成形过程进行了实验研究，验证 了数值模拟结果的正确性和该工艺过程的可行性，本文给出的工艺方案具有工程应 用价值。 本文研究确定的不锈钢接头体零件镦挤成形工艺为实际生产提供了理论依据和 工艺参数，为不锈钢接头体零件的优质高效生产提供了一条行之有效的途径，为类 似复杂零件的镦挤成形提供了借鉴。 关键词镦挤；接头体；不锈钢；数值模拟；实验研究 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t a i n l e s ss t e e lp i p ej o i n tp a r t si st h em o s ti m p o r t a n tp a r t st oj o i nt h es t r e s sp i p e l i n e t h ep a r t sf o r m e db yc o n v e n t i o n a lc a s t i n gm e t h o do ra l w a y sh a sm a n yd e f e c t si n i t s m i c r o s t r u c t u r ew h i c hw i l lh a v es h o r tw o r k i n gl i f e a l t h o u g ht h ep a r t sf o r m e db yp r o f i l e d b a rc a na t t a i nt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，b u tl o wp r o d u c t i v i t y , h i g hr a t eo fw a s t e m a t e r i a l s d i eu p s e t t i n g e x t r u s i o np r o c e s si sas u i t a b l em e t h o dt of o r m i n gt h i sk i n do f c o m p o n e n tb e c a u s ec o m p o n e n tf o r m e db yt h i sp r o c e s sm e e t t h eq u a l i t yr e q u i r e m e n ta n di t a l s os a v e sm a t e r i a l sa n dp r o d u c tp e r i o da n ds oh a sl o wc o s t i ti su r g e n tn e e dt os o l v et h e p r o b l e m o fh o wt op r o d u c ei te f f i c i e n t l ya n de c o n o m i c a l l y i nt h i sp a p e r , s t a i n l e s ss t e e lu p s e t t i n g e x t r u s i o np r o c e s si sd e t e r m i n e dt h r o u g h a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fp i p ej o i n t s a l s ot h ed i ei sd e s i g n e d m e t a lf l o w i n gr u l e s ， s t r e s s 踟1 ds t r a i nd i s t r i b u t i o n sa n dt h ei n f l u e n c eo fd i ed i m e n s i o n so nm e t a lf l o w i n gi n w a t e rb o xc o m p o n e n tm u l t i s t a g eu p s e t t i n g e x t r u s i o np r o c e s si si n v e s t i g a t e db yu s i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d o n 吐l e b a s i so fa b o v e ，t h ef o r m i n g p a r a r n e t e r sa r eo p t i m i z e d ，s t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h em o l di so b t a i n e d ，a n dr e s e a r c ho n t h e o p t i m i z e dp r o j e c to fm o l d s t r u c t u r eh a sb e e nd o n e a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s ，t h ee x p e r i m e n to fs t a i n l e s ss t e e lp i p ej o i n t i sa c c o m p l i s h e d , w 1 1 i c ht u r n so u tt h ec o r r e c t n e s so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df e a s i b i l i t yo f t h ep r o c e s s t h ep r o c e s so fs t a i n l e s ss t e e lp i p ej o i n tt h a tt h i sp a p e rc o n d u c t so f f e r st h e o r e t i c a l b a s i sa n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sf o rp r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，a n dm a k e si tp o s s i b l ep r o d u c e h i g h q u a l i t ys t a i n l e s ss t e e lp i p ej o i n t i ta l s op r o v i d e se x p e r i e n c ef o rf o r m i n gt h es i m i l a r c o m p l e xp a r t s k e yw o r d s d i eu p s e t t i n g - e x t r u s i o n ；j o i n tp a r t s ；s t a i n l e s ss t e e l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文佳秘社 加7 幸月1 日 指导教垣丝 兹一终欠 卅年占月1 日 ；- - i ：t l 科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 回不保密。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名多射 玲产名月1 日 指导撕繇彩驮杰 指导教师签名：j 似敝名乙 q 年z 月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 常规的管接头加工工艺，由于材料利用率低、能耗大、生产效率低已经无法满 足现代工业的生产要求。冷锻作为一种耗材少、效率高、性能优越的少无切削加工 工艺，近年来在精密塑性成形中得到迅猛发展【1 1 。 精密塑性成形得到的制件，要有较高的尺寸精度和表面光洁度，无需再经加工 或只有很少部位需要磨削、电解或化学加工等精加工，就能装配到机器上。它不仅 能获得表面质量好、机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，并使零件轮廓的金属流线合理分布，提高零件的载荷能力【2 1 。目前一般模锻件能 达到的尺寸精度为士0 1 士o 2 5 m m i ，而精锻成形一般为士0 0 5 m m 。 先进制造技术( a m t - a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 是一个多层次的技术 群，被称为面向2 1 世纪的制造技术，是制造业不断吸收机械、电子、信息、能源及 现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、 使用、服务乃至回收的制造全过程【3 】，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产， 提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。由于塑性成形 技术具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方r 甸t 4 j 。 据国际生产技术协会预测，2 1 世纪机械制造工业零件粗加工的7 5 和精加工的5 0 都将采用塑性成形的方式实现。现在先进制造技术正在改变塑性成形领域的许多传 统观念和生产组织形式，技术创新已成为2 1 世纪企业竞争的焦点。与此同时，金属 塑性加工正朝着精密化、信息化方向的发展【扣7 1 。 精密成形，亦称净形( n e ts h a p et e c h n i q u e ) 或近净形( n e a rn e ts h a p et e c h n i q u e ) ，是 在传统成形技术基础上发展起来的，用尽可能少的原材料，制造只需少量加工或不 再加工即符合零件要求的成形技术【8 】。精密塑性成形亦是一种精密成形技术。精密塑 性成形技术具有生产周期短、成本低、零件使用性能好、产品可靠性高、制坯近无 余量等优点，在工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。 展望2 1 世纪，塑性成形技术与科学发展的总趋势是交叉综合化、数字智能化、 清洁高效化和柔性集成化。数字化技术的应用，导致了制造信息的表述、存储、处 理、传递等方法的深刻变革，使制造业由传统的能量驱动型逐步转向为信息驱动型， 数字化已成为产品生命周期中不可缺少的驱动因素，从而使数字化制造技术的发展 成为必然。金属塑性成形过程的机理非常复杂，传统的模具设计是基于经验的多反 复性过程，从而导致了模具的开发周期长，开发成本高。面对激烈的市场竞争压力， 模具行业迫切需要新技术来改造传统的产业，缩短模具的开发时间，从而更有效地 支持相关产品的开发【9 ，1 0 】。塑性加工过程的数值模拟技术正是在这一背景下产生和发 1 河北科技大学硕士学位论文 展的。数值模拟技术是塑性3 n - v 技术从经验走向科学化的重大转折，已经开始进入 实用阶段。预计未来5 1 0 年，将在实用化方面取得很大发展，并与数字化塑性加 工制造系统很好的集成。同时，人工智能和智能化控制技术也将协同发展，并从简 单形状零件发展到覆盖件等复杂形状零件成形，从而真正进入实用阶段【1 3 1 。 1 2 精密塑性成形技术 2 1 世纪的制造业向着轻量化、高强度、高精度、低消耗的方向发展。节省材料 和能源，降低生产成本，提高生产率，是大规模工业生产的必然要求。与此相适应， 近十几年来，作为近净成形和净成形技术之一的塑性成形技术发展迅速，已成为2 1 世纪制造业的发展方向之一【1 4 j 。 根据我国产业政策及市场需求，汽车、摩托车、电机、家电等行业的产量迅速 增长，精密塑性成形零件的年产量也将逐年递增。到2 0 0 9 年，我国汽车产业的年产 量将突破10 0 0 万辆，其中，轿车的年产量将达到8 0 0 万辆。然而，目前这类零件一 般仍沿用传统的方法进行加工生产。由于汽车、电机、家电行业高投入、大批量和 高精度的要求，传统的费工、费时、费料的纯切削加工方法已无法满足企业对竞争 力、生产成本的要求1 1 5 1 。 精密塑性成形技术是先进制造技术中十分重要的组成部分，对提高一个国家的 竞争能力有重大影响，国内外都十分重视其发展和应用。精密塑性成形工艺( 或净成 形工艺) 目前被普遍接受的定义是“至少锻件部分表面的尺寸精度和形状精度达到可 直接用于装配或仅需磨削加工即可装配的程度”。它是建立在新材料、新能源、信息 技术、自动化技术等多学科高技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成形技术，使 之从粗糙变形变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害的精密塑性成形。 它可使成形的机械构件具有准确的外形、高的尺寸精度和形位精度、好的表面粗糙 度。 精密塑性成形技术具有以下特点： 1 ) 近净成形体尺寸及形位精度高，为后续采用高效、高精加工提供了理想的毛坯； 2 ) 高效、低消耗、低成本，为缩短产品开发周期、降低产品成本提供了有利条件： 3 ) 可方便、快捷地做出过去很难做出的复杂结构零件，为新产品开发提供有力技 术支持； 4 ) 同传统成形工艺相比，可改善生产条件并减少对环境的污染，成为一种清洁生 产技术，为可持续发展创造有利条件。 精锻技术做为精密塑性成形的重要组成部分之一，成为机械制造业的重要发展 方向。精密锻造技术按坯料加热温度可分为冷精锻、温精锻、热精锻。冷精锻成形 是指在金属最低再结晶温度下，利用设备和模具对其坯料进行压缩变形，从而获得 成形零件的一种a n - r - 方法，具有表面质量好，尺寸精度高等优点，但它对原材料要 2 第1 章绪论 求非常严格，要求延展性好，硬度低，内部及表面质量不允许有任何微小裂纹，且 由于变形抗力大，对模具和设备要求高。温精锻是指在室温以上完全再结晶温度以 下进行的一种工艺，虽然兼具有冷锻和热锻的某些优点，但由于在生产中变形抗力 仍然较大，精度上终究达不到冷精锻的水平，模具寿命提高不大，因此该加工方法 要被广泛采用还需要很长的时间【l 引。热精锻是在完全再结晶温度以上进行的，具有 成形力小，塑性高，成形性好，工件流线性保持完整，机械性能好等优点，通过在 保护气体中加热和冷却，可以克服工件氧化、脱碳等缺点。由于冷精锻成形的零件 的优点，因此在不锈钢接头体零件精密塑性成形中具有很好的应用前景。 1 3 数值模拟技术在塑性加工中的应用 现代塑性加工是介于原材料生产与最终产品制造之间的零部件生产行业之一， 是制造业的一个重要组成部分y 9 。塑性加工，包括锻造、冲压、挤压、s l n 及其它 以材料发生永久变形为特点的材料加工技术。塑性加工过程是在一定外力( 载荷) 和边 界条件( 加载方式、加载速度、约束条件、几何形状、接触摩擦条件、温度场) 下对材 料进行力和热耦合成形的过程，在过程中材料发生了几何形状与组织形貌的变化。 这些变化是相当复杂的，形状的变化不但取决于外力载荷条件、温度、摩擦与约束 条件，还取决于材料的变形抗力、硬化等性能变化，在这个过程中温度、加载速度、 摩擦条件还难以准确地预测；材料组织形貌的变化更加复杂，例如热成形状态下， 材料发生位错移动、晶界变形、结晶与回复再结晶、第二相析出、织构变形、晶粒 拉长等，使材料的性能和微观结构发生了很多变化。对塑性加工过程中材料的这些 复杂变化进行预测与控制就成为塑性加工的科学任纠2 5 1 。 随着2 1 世纪信息时代的来临，计算机及网络技术渗透到了社会生活的各个方面， 包括产品的设计和制造过程。在这个背景下，利用计算机来模拟现实世界的虚拟技 术得到充分的发展，数值模拟技术也因此得到了迅猛的发展。数值模拟是采用一组 数学方程( 一般是微分方程) 和定解条件将实际过程抽象成理论模型，采用电子计算机 求得该理论模型在不同条件下的数值解，以此推测在相应条件下所发生的实际过程。 通过数值模拟，可以回答经验设计时无法回答的问题，了解金属塑性成形的全过程， 包括金属成形过程中各阶段材料填充模具的情况、材料变形的趋势、材料内部的应 力、应变、应变速率、成形载荷及速度矢量场。这对金属塑性成形工艺设计、模具 设计、金属毛坯的设计、压力机的选择以及成形质量的控制等具有很大现实意义。 近年来，随着计算机技术、有限元法等各种先进技术的不断发展，数值模拟技 术取得了很快的进步，越来越多地被应用于工程实践之中。目前，常用的数值求解 方法有：有限单元法、有限差分法、边界单元法和加权参数法等【2 6 1 。但从实用性和 使用范围来说，有限单元法则是随着计算机软硬件的发展而被广泛应用的一种有效 的数值计算方法。有限元模型的建立主要包括以下关键技术：几何模型的建立，网 3 河北科技大学硕士学位论文 格的划分与重划分，材料模型的建立，接触和摩擦问题等。由于解析法和数值模拟 法的计算结果是建立在一定的假设和边界条件基础上的，其结果仍需要接受实验研 究的验证。在有限元软件领域，各种专用软件也相继出现，软件逐渐向专业化、并 行性和智能化的方向发展，涌现出一批比较成熟的商用软件，使得数值模拟技术应 用到国民经济的各个领域。它在塑性成形技术中的应用主要基于2 0 世纪，8 0 年代发 展起来的有限单元数值计算方法【2 7 3 2 1 。8 0 年代早期，美国b a l l e l l e 研究室在美国空 军的资助下开发的有限元程序a l p i d ( a n a l y s i s o fl a r g e p l a s t i ci n c r e m e n t a l d e f o r m a t i o n s ) 是塑性成形数值模拟技术的开始。当时该技术只能分析平面问题和轴对 称问题，不能划分网格，也没有考虑非线性问题。但到1 9 8 5 年，美国已经有6 家大 公司使用该软件。随后几年，开发人员将程序逐渐完善，发展成为商品化分析软件 d e f o r m 。后来许多分析软件如：a n s y s 、a j b a q u s 和m a r l 、a u t of o r g e 等也如 雨后春笋般出现，数值模拟软件进入了快速发展时期。 数值模拟方法的优越性主要体现在数值模拟不需要建造物理模型，因而节省了 大量人力、物力和时间，并使得在设计阶段即可对不同的设计方案及时进行评价， 筛选出合理的或最优的方案。数值模拟能提供工件和模具中各物理量( 如应力、应变、 温度等) 分布的详尽数据，使人们获得对于实际过程的深入、全面的了解。数值模拟 有着很大的灵活性，能用于模拟在目前尚不能提供的虚拟条件下模型的性态，从而 为探索性的研究提供了手段。但是由于建立理论模型时对原型的简化处理，所依据 的理论的不完善和计算误差等等，数值模拟并不能达到精确的结果。所以说计算机、 激光、自动化等先进技术并不能取代原有的传统技术，而是使这些技术朝精密化、 智能化的方向发展，并实现在线控制，使传统技术升级【3 3 1 。 国内外学者对一些简化模型或特定体积成形过程进行了三维分析并做了很多工 作：m c r o d r i q u e s 等进行了三维开式模锻的模拟；h w s h i n 等人分析了不同形状的 三维挤压过程；a g m a m a l i s 采用隐式有限元软件m a r c 和显式有限元软件d y n a 3 d 分别计算了一个三维直伞齿轮的精锻过程，并给出了对比结果；e d o e g e 用f o r g e 3 模拟了直齿斜齿轮和直齿伞齿轮的成形过程，并给出了齿轮的径向冷却收缩率；国 内的清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、北京机电研究所和南昌大学等单 位也对三维锻造过程的软件开发和工艺模拟做了大量的研究工作【3 4 , 3 5 j 。 迄今为止，国内外对于塑性加工领域的数值模拟研究仍显得较为粗放，主要还 是集中于材料的流动过程和宏观缺陷的定性分析。而对于成形过程中尺寸精度的变 化规律及其影响因素的定量分析还鲜有报导，对于实际工艺的连续生产模式及其精 确建模问题亦亟需深入研究。 1 4 精密塑性成形技术的国内外发展现状及发展趋势 在精密塑性成形技术中，冷锻技术作为一种古老的传统加工工艺，其发展经历 4 第1 章绪论 了漫长的历史过程。早在远古时代，人们就用敲打金、银等软质金属的方式来制作 装饰品。梦溪笔谈中有冷锻技术制造铁甲的记载，这种铁甲“去之五十步，强弩 射之不能入”。1 9 世纪末，法、英、德、等国开始尝试使用冷挤压方法生产软质有色 金属零部件。第一次世界大战期间，美国采用冷挤压法大批量生产黄铜弹壳，并曾 试图用冷挤压法生产钢质弹壳，但未获成功，原因是当时模具材料的强度无法满足 冷锻的要求，也没有找到良好的表面处理方法和润滑剂。第一次世界大战后，德国 于1 9 2 1 年制造出冷挤钢管专用压力机，经过近十年的艰苦试验，直到1 9 3 1 年冷挤 钢管才在实验室里试制成功，但不能正式投入生产，其原因也是由于钢挤压时，变 形抗力过大，找不到用于生产的模具材料和表面润滑处理方法【3 6 _ 4 2 1 。 第二次世界大战前夕，德国对弹壳的需求量猛增，为了扩大弹壳的生产量，德 国秘密试验用冷挤压方法生产钢质弹壳，但一直没有成功，直到1 9 4 2 年德国人找到 了采用表面磷化、皂化处理，并用合金工具钢作为模具材料的方法，成功地用冷挤 压技术大批量生产了钢质弹壳，当时在世界上引起了极大的震动和惊诧。第二次世 界大战结束后，美国获取了德国有关冷挤压的关键技术资料和人才，继续深入研究 钢的冷挤压，大规模开办了用冷挤压法生产弹壳和弹体的军工厂。 二战以后冷锻加工的应用开始由军事工业向民用工业转化。从1 9 5 5 年开始，美、 德等国将冷锻技术用于汽车锻件的生产，并进一步开展了钢的冷锻研究工作。日本 于1 9 5 7 年引进第一台专用冷挤压力机，首先在钟表等精密仪器工业中采用冷挤压加 工。6 0 年代，日本汽车工业的成长，为冷锻技术的发展创造了有利的条件。日本8 0 年代自称，其轿车生产中以锻造工艺生产的零件，有3 0 - 4 0 是采用冷锻工艺生 产的。 八十年代后期，日本、美国和德国等冷锻技术发达国家已完成了冷锻工艺的系 统化研究工作，在提高冷锻成形精度，扩大冷锻成形材料，缩短冷锻成形工序，提 高冷锻模具的强度以及开展冷锻与温、热锻等其他加工方法复合工艺研究等方面形 成了整套的理论，并开始着重于复杂形状零件的冷精锻研究及应用工作。九十年 代以后，随着汽车技术竞争的日益激烈，冷精锻零件在轿车中的应用不断增多。日 本丰田汽车1 8 l 排气量发动机的汽车中，每一辆车有4 3 k g 冷锻件，这其中还不包括 重达3 5 k g 的螺钉、螺栓、螺母等标准件的冷锻成形件。欧美等国家的轿车生产中， 每辆汽车冷锻件的使用量也突破4 0 公斤。其中，冷锻差速器锥齿轮和自动变速器螺 旋直齿轮的齿形误差只有0 0 2 m m ( 达到g b 7 级) ，可取代刨齿、滚齿加工直接使用； 等速万向节零件仅留o 3 m m 的磨削余量，可以取消全部车、铣粗a n - r - ；冷锻件直径 公差可达到0 0 2 m m ，厚度公差在0 1 0 m m 以内，同心度误差小于0 0 5 m m 。从某种 意义上来说，汽车复杂零件冷锻成形技术己成为一个国家汽车工业水平的重要标志 【4 3 1 。精密塑性成形技术的发展对提高一个国家的工业竞争能力有重大影响。美国竞 5 河北科技大学硕士学位论文 争委员会在1 9 9 1 年向美国总统提交的美国未来技术优先权的研究报告中，把精密塑 性成形与m - - r 技术列为美国处于落后地位的技术，建议政府予以重视与支持。 近3 0 年来，精密塑性成形技术在国外以很快的速度发展，大量优质、高效、少 无切削的新型成形技术得到发展，并在工业中获得广泛应用。作为一种先进制造技 术，精密塑性成形技术在汽车工业发达的国家得以迅速发展并发挥重要作用，我国 在近几年，精密塑性成形技术也得到迅速发展。在锻压方面己基本掌握了精锻、精 冲、冷挤等少无切削锻压工艺。使得一度被视为“夕阳工业”的传统塑性加工业，又 重新受到人们的关注m j 。我国制造业在未来一个相当长的时期将获得快速发展，制 造业特别是机械制造业的发展，要求生产过程节约能源、节约材料、提高资源利用 率，这已成为能否以低成本、高质量、高效率参与国际市场竞争的十分重要的问题。 发展应用精密塑性成形技术就是一个有效途径。 与国外相比，国内从6 0 年代就开始了冷锻技术的研究工作，几乎与日本同时起 步，当时主要是从自行车零件开始发展。上海交通大学、清华大学、北京机电研究 所以及重庆5 9 研究所等科研院校都对冷锻技术有过专门研究，在冷锻技术的研究与 推广上起到过重要作用，研究水平一直紧跟国外先进水平，在六、七十年代曾形成 过轰轰烈烈的局面。如当时的二汽标准件厂就主要以冷锻生产工艺来建设；桂林电 器科学研究所在七十年代就完成了花键轴的冷挤压加工；上海交通大学在冷锻应用 方面更是硕果累累。但是，到了8 0 年代，冷锻技术研究工作却一度停止不前了，究 其原因，一方面是我国的汽车工业不发达，使冷锻生产技术找不到发挥其巨大优势 的用武之地；另一方面，缺少冷锻专用压力机和冷锻专用钢材以及冷锻模具钢供应 不足影响了冷锻技术的发展【4 5 , 4 6 j 。9 0 年代以后，由于中国的汽车工业有了较快的发 展，市场需求和产品竞争促进冷锻技术的开发应用上升到一个新的水平，表现在冷 锻件的复杂程度、净形程度和精度均显著提高。同时，通过引进国外先进技术，一 些大型的专用冷、温锻压力机和高精度模具加工设备也逐渐配备起来。 河北科技大学材料科学与工程学院模具研究室近年来在冷锻技术研究方面做了 大量工作，并成功挤压成形半轴套管、电机轴、液压钢筒、深小锥孔类零件，取得 大量成果，部分研究成果达到国际先进水平。 1 5 镦挤复合成形 挤压技术是指将毛坯放入挤压模具模腔内，在模具强大的压力和合适的速度、 温度、润滑等条件下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得与模腔相应的形状、尺寸 以及具有一定力学性能的挤压件的一种少无切削加工新工艺。挤压加工是靠模具来 控制金属流动，使金属体积大量转移而成形零件，它是一种高效、优质、低能耗的 先进生产工艺技术，较多应用于中小型企业生产中【4 7 1 。与传统切削工艺相比，具有 节材、节能、省时，提高质量，改善作业环境，实现净成形或近净成形等优点。 6 第1 章绪论 挤压工艺按温度可分为冷挤压、温挤压和热挤压： 1 ) 冷挤压：通常指室温下对毛坯进行的挤压； 2 ) 温挤压：将毛坯加热到金属再结晶温度( 7 0 0 1o o o 。c ) 下，某个合适的温度范 围内进行的挤压； 3 ) 热挤压：将毛坯加热到一般热锻温度( 10 0 0 以上) 范围内进行的挤压。 挤压按基本的变形方式也可分为正挤压、反挤压和复合挤压。镦挤和径向挤压 是两种较为特殊的挤压变形方式。镦挤是指局部镦粗和挤压结合在一起的方法是坯 料的一部分高度减小而横截面增大，另一部分高度增加而横截面减小的锻造工序。 径向挤压是指在挤压时金属的流动方向与凸的运动方向垂直的一种加工技术。径向 挤压又可分为分流式和汇集式两种。分流式是指毛坯金属在一个冲头作用下同时或 先后向几个不同方向流动的挤压工艺。汇集式是指毛坯金属在两个或多个冲头作用 下同时或先后向一个或者一个以上方向流动的挤压工艺。 彩澎 alp a ) 镦粗 a ) u p s e t t i n g b ) 局部镦粗 b ) p a r tu p s e t t i n g 图1 1 镦挤成形 f i g 1 - 1u p s e t t i n g - e x t r u s i o nf o r m i n g 缪钐 ( ：) 心蕊 c ) 局部镦粗 c 、p a r tu p s e u i n g 镦挤是用来使毛坯的高度减小，横断面积增大( 图1 1 a ) ，也可使毛坯的局部高度 减小，而局部横断面积增大( 图1 1 b 、1 1 c ) ，还可以使毛坯的高度增加，横断面积减 小，如图1 2 所示。在镦挤过程中，变形部分可以自由成形( 图1 1 ) 也可以在型槽中 成形( 图1 2 ) 。镦挤的毛坯可以是实心的棒料，也可以是空心的管件。根据毛坯的物 理性能、尺寸大小以及设备状况，可以进行热镦挤、温镦挤，也可以进行冷镦挤。 镦挤即可用于毛坯的整体或局部加粗，也可用于冲孔和弯曲，因此它在机械制 造业，特别是汽车、拖拉机、轴承、标准件生产以及国防工业中得到广泛应用 4 8 , 4 9 。 般的说，冷镦挤材料利用率、制件的尺寸精度均比热镦挤高，表面比热镦挤的光 洁，加工后续工序也比热镦挤少，且容易实现自动化。但由于冷镦挤时的变形抗力 7 河北科技大学硕士学位论文 大，所以多用于毛坯尺寸小而批量大的产品，如螺栓、螺母、销钉等标准形紧固件 和小型轴承的内、外环。此外，一些有色金属的产品也多用冷镦挤。热镦挤产品的 尺寸精度比冷镦挤低，表面比较粗糙，加工后续处理的工作量较大，劳动强度也较 高，但变形抗力小，因而适用于工作量较大，劳动强度也较高，但变形抗力小，因 而适用于加工尺寸较大的产品。温镦挤时，因毛坯表面没有形成深厚的氧化皮，所 以产品的表面粗糙度和尺寸精度均接近于冷镦挤，产品的后续加工也较为简单。材 料的变形抗力虽大于热锻挤，但比冷镦小得多。 i 图1 2 镦挤复合成形 f i g 】- 2 t h eu n i t ef o r m i n go fu p s e t t i n ga n de x t r u s i o n 1 6 课题研究的主要内容和方法 工件 本文主要研究不锈钢接头体零件镦挤成形工艺，运用有限元法分析软件 d e f o r m 3 d 全面的分析不锈钢管接头镦挤成形过程的金属流动状态，填充规律。 通过计算机模拟仿真的研究，达到预测和消除成形缺陷、优化工艺参数，降低模具 受力等目的，这种方法可大大节省实验用材料、减少工艺调整次数和缩短实验周期。 具体研究内容为： 1 ) 根据冷锻的基本成形规律和原理初步设计工艺参数。 2 ) 利用三维造型软件建立毛坯原型和模具原型。 3 ) 采用有限元分析不锈钢接头体零件镦挤的几个重要工艺参数对成形结果的影 响规律，得出较优化的工艺参数。 8 第1 章绪论 4 ) 设计实验模具，选择合理吨位的液压机以及选择合适的模具材料、尺寸、及 其加工模式，并以节能、节材为原则设计实验模具。 5 ) 通过实验对模拟结果进行验证，确定出毛坯尺寸，使管接头易于充满，金属 流线分布合理，模具受力较低。 本课题提出以镦挤的方式生产不锈钢接头体零件，此种工艺不同于传统制造工 艺，它是镦锻和挤压相结合的成形工艺。设计套管接头镦挤模具，并对该成形工 艺以d e f o r m 3 d 软件为平台进行数值模拟。在数值模拟结果分析基础上对模具结 构进行优化，并通过实验进行验证。通过对该工艺的研究，使不锈钢接头体零件镦 挤工艺进一步完善，有望实现批量生产。 1 7 本章小结 本章概述了精密塑性成形的研究现状，阐述了冷锻精密成形的原理、特点及优 点。简要的介绍了数值模拟分析法在塑性加工中的应用。说明了本文的研究内容、 意义和目标。 9 河北科技大学硕士学位论文 第2 章不锈钢管接头镦挤的工艺分析 2 1 零件工艺性分析 2 1 1 零件图 本文所设计的不锈钢接头体零件属于管接头零件，来源于石家庄液压件厂，厂 家提供的零件图如下： 图2 - 1d g l 3 端直通接头体 f i g 2 1d g l 3p i p e j o i n tp a r t s 该零件材料为1 c r l 8 n i 9 t i ，中部为一六方形，上下为圆柱，中间为通孔，外型复 杂，给加工带来了一定的难度。该零件广泛应用于压力管道的连接，由于该零件工 作环境恶劣，需受较大的压力及腐蚀。 目前采用型材切削加工、铸造后机械加工、切削加工后焊接这三种制造方法生 产。由于铸造件缺陷较多、废品率高、力学性能差，无法满足零件的工作要求，已 逐渐淘汰；现主要采用型材切削加工和分段切削加工后焊接的方法来生产，生产效 率低，材料浪费率高。因此，寻求一种适应接头体零件生产的新方法，采用具有材 料消耗低、产品质量好、生产周期短、成本低等优点的新工艺，将会获得十分显著 的经济效益。 1 0 第2 章不锈钢管接头镦挤的工艺分析 酬2 - 2 不锈钢管接头宴体模型 f i 9 2 - 2t h e m l i d m e d e lo r s t a i n l e jp i p e j o i n t p a n s 2 1 2 零件材料的性能分析 产品材料为1 c r l 8 n i 9 t i ，其各项指标性能如下： 袁2 - i 化学成分 t a b2 - ic h e m i c a lc c a a p o s i t i o n 不锈钢是石油、化工、化肥、食品、国防、餐具、合成纤维和石油提炼等工业 行业中广泛使用的金属材料，而许多容器、管道、阀门、泵、等一般都因与各种腐 蚀性介质接触遭受腐蚀而报废。据统计，全世界每年因腐蚀而报废的钢材约占钢材 年产量的2 5 ，而不锈钢的产量占钢铁总产量的1 。不锈钢不仅要耐蚀，还要承受 或传递载荷，圈此还需要具有较好的力学性能。不锈钢一般以板、管等型材加工成 构件或零件因此要有良好的切削加工性能和良好的焊接性能。由于不锈钢具有优 异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范田内的强韧性等系列特点，所以在 重工业、轻工业、生活用品行业咀及建筑装饰等行业中获取得广泛的应用。 奥氏体不锈钢随着变形量的增加，其硬度和抗张强度的增加不仅是由于摹体的 河北科技大学硕士学位论文 加工硬化及位错密度增加而引起，而且在冷变形过程中产生诱发马氏体相变而导致 硬化性能的变化。镍铬不锈钢中的碳、镍和铬对奥氏体的稳定性有重要的影响。在 碳不变的情况下，提高镍的含量，奥氏体稳定性增加，从而阻止了奥氏体部分地转 变为马氏体，铬也有类似作用，当有镍存在时，铬可以稳定奥氏体，阻止它的转变。 从而提高奥氏体不锈钢的挤压性能。 2 2 镦挤工艺拟定 镦挤能否成形主要取决于合适的工艺设计。对于任何镦挤件，其变形工序主要 取决于零件的复杂程度、材料成形性能和变形程度。由于接头体零件的外部是复杂 形状的组合，变形程度大，由于该零件外形为中间通孔，坯料的外形可分为棒料及 管料两大类进行讨论，如图2 3 所示。 a ) 雷坯b ) 棒料 a ) p i p eb l a n kb ) s t i c kb l a n k 图2 - 3 坯料外形 f i g 2 - 3 t h es h a p eo f b l a n k 在本课题中，接头体零件镦挤工艺的数值模拟研究分两大类进行研究，即管料 镦挤和棒料镦挤。 在接头体零件的镦挤变形过程中可划分为3 个阶段：反挤阶段( 管料无此阶段) 、 镦粗阶段、六方型腔充满阶段。 反挤阶段：从凸模与坯料端面接触时开始，此阶段变形体高度增加，坯料部分 沿径向向外流动的同时另一部分向凸模运动相反方向流动。 镦粗阶段：从凸模接触时开始，到坯料外表面与模腔侧壁接触时为止。此阶段 变形体高度减小，材料沿径向向外流动，变形特征为镦粗。 六方型腔充满阶段：从镦粗阶段结束时开始，到全部充满型腔为止。此阶段的 材料流动情况最复杂，可将其划分为两个小阶段来进行研究和分析。将六方型腔充 满阶段看成是由型腔主体与六方角部组成的话，则型腔主体部分充满过程为第一阶 段，角部的充满过程为第二阶段。最难充满型腔概念的确定，为型腔充满阶段确定 了完整的研究对象：因为最难充满型腔也是最后充满型腔，其充满过程贯穿型腔充 满阶段全程。 1 2 第2 章不锈钢管接头镦挤的工艺分析 2 2 1管坯镦挤 由于接头体零件中间为通孔，采用管料成形既节约材料又减少了工步。在管料 镦挤中，需分两小类进行讨论。 1 ) 无芯棒管料镦挤 如图2 4 a 所示，在镦挤时，管坯安放在凹模内，内孔不受任何约束进行镦挤。 在数值模拟中，研究不同厚径比的管件镦挤六方的成形极限。 厚径比即管料厚度与直径的比值，其值的计算方法如式2 - 1 所示。 t o d o = p 旷d ) d o( 2 - 1 ) 式中t o d o 厚径比 玩管料外径 d 管料内径 在本课题中，通过固定外径值，改变内径值来达到改变管料的厚径比。 管坯变形程的计算方法如式2 2 所示。 二 g = p 广d o ) d o ( 2 - 2 ) 式中卜变形程度 d 变形后六方部分的内切圆直径 玩坯料的外径值 2 ) 有芯棒镦挤 a ) 无芯棒镦挤 b ) 有芯棒镦挤 a ) u p s e t t i n g e x t r u s i o nw i t h o u tm a n d r i lb ) u p s e t t i n g - e x t r u s i o nw i t hm a n d r i l 图2 4 管料镦挤工艺示意图 f i g 2 - 4 t h es c h e m a t i co fu p s e t t i n g e x t r u s i o nw i t hp i p eb l a n k 如图2 - 4 b 所示，在镦挤时，管坯安放在凹模内，同时在管坯内部安放芯棒来约 束内孔变形。通过数值模拟来研究金属的流动，以及不同厚径比下镦挤六方的成形 性。 在镦挤成形中，影响管料镦挤成形与否的参数有：模角2 a 、模具结构，厚径比 等参数。如若参数选择不当，将会出现镦挤力过大或者坯料发生内凹现象。如图2 - 5 1 3 河北科技大学硕士学位论文 所示。当零件的厚径比过小，或者模具结构不合理，都将导致坯料发生内凹现象。 a ) 无芯棒镦挤b ) 有芯棒镦挤 a ) u p s e t t i n g e x t r u s i o nw i t h o u tm a n d r i lb ) u p s e t t i n g e x t r u s i o nw i t hm a n d r i l 图2 5 管料镦挤失效示意图 f i g 2 5 t h ef a i l u r eo fu p s e t t i n g - e x t r u s i o nw i t hp i p eb l a n k 2 2 2棒料镦挤 在镦挤时，棒料安放在凹模内，由凸模下压运动对棒料进行镦挤。图2 6 为不 同形式的凸模镦挤示意图。其中，图a 采用的为凸模上下置，图b 采用的传统上置 凸模。本课题重点研究镦挤过程中内孔反挤内孔直径极限及六方成形性。在镦挤时， 由于零件的内孔的高径比过大，在设计模具时考虑到凸模许用高径比的范围设计了 图a 这种对称的凸模结构进行数值模拟研究。 a ) 对称凸模b ) 上置凸模 a ) s y m m e t r i c a lt o pd i cb ) t o pd i e 图2 - 6 棒料镦挤示意图 f i g 2 - 6 t h es c h e m a t i co fu p s e t t i n g - e x t r u s i o np r o c e s sw i t hs t i c kb l a n k 采用棒料镦挤时，凸模的的高径比是决定能否成形的一个关键参数。当高径比 1 4 击 第2 章不锈钢管接头镦挤的工艺分析 过大时，镦挤抗力超过了凸模材料的极限，将发生弯曲失稳或折断。为了增加材料 利用率即在在凸模材料需用范围内尽可能的增大高径比将会获得显著的经济效益。 2 3本章小结 本章根据不锈钢接头体零件图设定了初步的工艺方案，进行了数值模拟所需模 具设计，并生成了模具三维实体模型，为下一步的数值模拟分析做好准备。划分 镦挤的变形过程，为数t 模拟分析提供理论依据。 1 5 河北科技大学硕士学位论文 第3 章镦挤工艺数值模拟主要参数的确定 d e f o r m 是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业 的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师 和设计人员： 1 ) 设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场实验成本； 2 ) 提高模具设计效率，降低生产和材料成本： 3 ) 缩短新产品的研究开发周期。 本章研究的主要问题是：在成形过程中，一定参数组合下不锈钢接头体零件镦 挤的成形性。研究内容包括以下两个方面，一是确定影响成形的主要参数，二是这 些主要参数对成形与否的影响规律。 3 1 有限元数值模拟简介 3 1 1 基本假设 刚塑性有限元法的求解是建立在以下假设的基础上的： 1 ) 忽略材料的弹性变形，不计质量力和惯性力： 2 ) 材料均质，且各向同性； 3 ) 材料体积不变； 4 ) 材料服从m i s e s 屈服准则，且等向强化； 5 1 刚塑性材料仅发生应变强化。 3 1 2 刚塑性有限元法求解步骤 刚塑性有限元法求解过程有以下四步： 1 ) 变形体离散化； 2 ) 单元刚度矩阵的建立； 3 ) 单元刚度矩阵组装为整体刚度矩阵： 4 ) 求解整体刚度方程。 变形体离散成有限个由