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不锈钢管接头成形新工艺研究

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1、概述

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。

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。目前一般模锻件能达到的尺寸精度为±0.1~±0.25mm,而精锻成形一般为±0.05mm。

2、零件工艺性分析

本文研究的不锈钢接头

体零件件属于管接头零件,来源于河北圣雪葡萄糖厂,该零件材料为,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。

本文拟采用镦挤结合的复合成形工艺来成形此类管接头零件。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。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(棒料有,管料无此阶段),镦粗阶段、六方型腔充满阶段。

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。

3、锻挤成形数值模拟分析和试验研究

在不锈钢管接头镦挤复合工艺的工艺分析中,我们采用了DEFORM软件进行成形过程的模拟。DEFORM作为一个强大的体积成形软件,能够对锻造和其他成形过程进行模拟,如铸造、焊接、机加过程和热处理,并能进行经济评估和优化。对于不锈钢接头体零件镦挤成形而言,为了降低不锈钢接头体零件的镦挤力,在产品设计已确定不能更改的情况下,只能从工艺设计的角度,采取最优工艺参数来降低镦挤力。研究表明,坯料的形状,硬度、摩擦、断面缩减率、模角2a等因素对接头体零件的镦挤力都有影响。

5)模拟步长:在不锈钢接头体零件镦挤的数值模拟中,数值模拟步长是决定数值模拟计算时间的两个重要因素之一。在DEFORM-3D的数值模拟中,一般认为模拟计算中步长为最小单元体长度的1/3~1/5,网格划分后,经测量后确定0.1mm/次。

6)在模拟计算中,根据不锈钢管接头镦挤变形的特点,设定凸模向下运动,凹模固定不动。

7)管接头体零件具有循环对称性,可将计算模型简化为整体模型的1/2,即取坯料的I/2建模。这种简化既能节省计算时间,又能直观的观察坯料的变形情况。

在数值模拟已得的结果上,我们利用试验对数值模拟的结果进行验证。它不仅用来检验数值模拟的准确性,而且,实验研究本身又能够定量分析塑性成形应力、应变状态等的一种行之有效的方法。

实验采用天津锻压设备厂生产的YT32-315四柱液压压力机,模具钢选用高速钢,这是因为高速钢具有高的硬度,红硬性和耐磨性,同时兼有适当的韧性及可磨削性,高速钢在冷挤压模具中的应用比重越来越高,且以570~600℃回火使用的w18Cr4V、W6M05Cr4V、6W6M05Cr4V钢为主流。

在与数值模拟相同的边界条件下进行镦挤试验,得到制件,如图所示

图1 镦挤制件

4、结论

1)通过分析不锈钢接头体零件形状尺寸特点,采用数值模拟技术与工艺实验相结合的方法,确定了不锈钢接头体零件镦挤成形的可行性。

2)在对不锈钢接头体零件镦挤成形过程数值模拟分析的基础上,确定了镦挤成形方案和模具结构,进行了工艺性实验分析,初步获得了成形工艺参数并成形出复合尺寸要求的零件,所提出成形方案和模具结构可以完成不锈钢接头体零件镦挤工艺过程。