6、局部加载工艺过程中金属流动规律分析.docx

局部加载工艺过程中金属流动规律分析华睿1，费维柱2(1.合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥230009；2.淮南矿业集团装备管理中心，安徽淮南 232096)摘要 介绍了局部加载工艺，采用有限元数值模拟方法，分析了局部加载过程中上模的不同加载次序以及每一加载步的下行量对成形过程中金属流动规律的影响。从结果中得到通过各上模之间合理的加载次序和下行量能够有效控制金属的流动，极大的降低载荷，使得最终零件成形完整性好。为实际生产提供了一定的依据。关键词 局部加载；金属流动规律；数值模拟1 引言局部加载工艺1是将整体锻件划分为若干区域，匹配相应个数的上模，而成形时只对某一区域进行变形，其他部分保持不动，各上模互相配合运动的一种成形方法。局部加载能够有效改变材料流动范围，从而降低成形载荷，同时能够提高材料的塑性成形能力，为复杂结构件的成形提供了可能性。本文利用Deform-3D有限元软件对各上模不同下行次序、加载步下行量的大小在局部加载成形过程中金属流动规律的影响分析，优化工艺参数为锻件最终成形载荷和效果提供合理的参考。2 成形工艺分析及有限元模型建立如图1所示为大型液压支架连杆零件槽类锻件图，该零件总长度达到1.83m，总高度272mm，加强肋板成形高度152mm，其材料为Q550，屈服强度为550Mpa，抗拉强度在670830Mpa之间，延伸率为16%，锻件整体加载最大成形压力达到26400吨，所需成形设备吨位较大。图1 锻件图分析发现该锻件在挤压成形过程中两端和加强肋板处成形较为困难，需要金属流动2-5给予充填。结合局部加载工艺6-8特点将整体上模拆分为三个部分，加强肋板成形即可利用上模过渡间隙成形。上模按照对应的空槽分为3块（中间为上模1，左右分别为2、3），下模为整体结构。结合各区域变形的均匀性和实际的生产工序的要求，局部加载选择两次加载步成形，即第一加载步：上模1先下行一定距离，然后上模2、3下行一定距离；第二加载步：上模1完成下行，然后上模2、3完成加载（或者两次加载步上模1和2、3的顺序同时调换）。采用有限元模拟软件Deform-3D对成形过程进行模拟分析。根据Q550材料特性，在软件材料库中近似选取合适材料，模具与坯料采用剪切摩擦模型，摩擦因子取0.25，坯料初始温度设为1000，模具温度设为350，模具与坯料间的热交换系数设为5KW/m2/，上模下行速度设为25mm/s，为了节省计算时间选择1/4模型模拟。3 模拟结果分析3.1不同的加载次序的影响局部加载过程中上模之间不同的下行次序，使得材料的流动方向有较大的影响，对材料最终的分布起着重要的作用。加载方案：方案1，上模1先于上模2（3）下行运动；方案2，上模2（3）先于上模1下行运动。每个加载步模具下行量均为各自总下行量的50%，成形效果如图2示。比较可看出，方案1锻件成形效果明显优于方案2 ，说明金属的流动需要从中间向两边进行流动分布，同时两端位置加载成形时上模1还起到限制金属向中间流动的作用，使得最终材料较为合理的流动分布。 方案1 方案2图2 方案1、2模拟成形效果图3.2不同上模下行量的影响上模1的下行对最终的成形效果影响较大，为了得到最佳的成形效果，根据表1所列对上模1各加载步的不同下行量进行分析。表1 上模1不同下行量比例加载步1 加载步2上模1 上模2(3)上模1 上模2(3)方案1 50% 50% 50% 50%方案3 85% 50% 15% 50%方案4 35% 50% 65% 50%如图3所示，为各方案在相应加载步时材料流动效果图，方案1、3的锻件均在靠近肋板左侧的槽壁位置出先成形不足的缺陷（图中红色区域），其第一加载步上模1下行量值较大，使得过多的金属材料流向端部，使得最终靠近肋板附近的材料填充不足。方案4过程中材料分布合理，成形达到要求尺寸，第一加载步上模1较小的下行量，控制中间材料在肋板处聚集，而不是过多的流失到端部，第二加载步时端部加载成形，上模1限制端部材料流向中间位置，同时使得肋板处的材料有效成形。对于较难成形的位置，要合理的给予材料补充，同时也需有效的限制材料的流失。（a）（b）(c)(d)方案3 方案 1 方案4图3 方案1、3、4成形过程中金属流动规律图(a- d分别为第一到第四加载步过程)3.3 成形载荷锻件的局部加载，使得较小范围的材料变形，每次加载过程中只需克服这部分材料的变形抗力，因此载荷能够有效的降低。此次工艺模拟最大成形吨位相对整体成形减少45.5%，极大的减小成形载荷，为较小吨位的设备生产大型锻件提供一种实现的可能。4 结论1）局部加载工艺适合尺寸大、材料变形抗力大的锻件，有效合理控制材料的流动方向及大小，获得成形效果好的锻件。2）本文通过Deform-3D有限元模拟分析了加载次序和下行量两个方面对锻件局部加载成形过程的影响规律：上模1先于上模2（3）的下行能有效控制材料向端部流动，上模2（3）下行时，上模1对其下部的材料处于静止压缩状态，限制上模2（3）位置的材料流向中间，有利于较难形成的端部和肋板的成形。参考文献1 杨合, 孙志超, 詹梅, 等. 局部加载控制不均匀变形与精密塑性成形研究进展J. 塑性工程学报, 2008,15(2)：6-14.2 郭向杨, 王鹏程, 等.热反挤压过程中金属不稳定流动状态的研究J. 锻压技术, 2012, 37(3)：62-66.3 吴越江, 杨合, 等. 局部加载条件对板筋类构件成形材料流动影响的模拟研究J. 中国机械工程, 2006, 17卷：12-15.4 张会, 姚泽坤, 等. 金属结构件等温成形过程金属流动规律与充填性的物理模拟J. 航空制造技术, 2007, 1期：73-76.5 张世俊, 丘宏扬, 等. 金属分配与流动理论在锻造中的应用J. 锻压机械, 2005,35(6)：24-25.6 高双胜. 筋板类构件局部加载等温精密模锻工艺的研究D. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2003.7 孙志超, 杨合, 李志燕. TA15合金H型构件等温局部加载成形工艺研究J. 稀有金属材料与工程, 2009,38卷：1904-1909.8 邓文卫