精密锻造技术的研究现状及发展趋势(二)

精密锻造技术的研究现状及发展趋势(二)

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精密锻造技术的研究现状及发展趋势(二)

2020-12-07

2、精密锻造设备

为了满足精密锻造工艺的要求,精密锻造设备需要具备如下特点。

1)具有较好的刚性,使变形过程中机器本身的变形较小,保证锻造工件的尺寸精度。

2)具有精密的导向机构,保证模具的合模精。

3)具有多缸的动作能力,实现精密锻造多个模具运动的要求。

4)具有生产工序的自动监控和检测功能等。


对于热精密锻造常用的设备包括高能螺旋压力机、电液锤、热模锻压力机等,冷精密锻造成形常用的设备包括冷锻压力机、冷挤压机、冷镦机、冷摆辗机等。由于进口设备价格昂贵,而改造设备其精度和可靠性较差,因此迫切需要研究和开发国产的精密锻造设备,近年来国产精密锻造设备获得很大发展。


3.精密锻造模具

与普通锻造成形相比,精密锻造成形变形抗力更大,模具的工作状态更恶劣,因此精密锻造模具的综合机械性能要求更高。同时,在精密锻造中,模具的尺寸精度和表面粗糙度将直接传递给锻件,为了保证锻件的尺寸精度和表面粗糙度,要求精密锻造模具具有较高的尺寸精度和表面粗糙度。


为了满足精密锻造成形对模具的要求,模具设计和制造时,要选择合理的模具结构、模具材料、加工方法及热处理方法,以保证其精度和机械性能。近年来为了进一步提高模具的精度和使用寿命,模具弹性补偿、高速切削、模具补焊等一些新的模具设计、制造技术在精密锻造模具中得到应用。


3.1模具弹性形变的补偿

锻造成形过程中,在变形抗力及摩擦力等因素的作用下,模具将发生一定的弹性变形,这一变形使得模腔轮廓由正常形状向一个与载荷分布相关的形状变化,金属的成形也将不再以模腔原始轮廓为依据。很多锻造工艺与模具设计时往往忽略由此产生的工件表面几何精度误差,但对于精密锻造工艺却是一个非常重要的和不容忽视的问题。解决的方法一般是通过计算或者模拟的方法对模具弹性变形进行分析计算,并在模具型腔设计时,提前进行形状补偿。


3.2模具的高速切削

传统制模工艺需要在加工出型腔后进行淬火处理,以提高模具硬度,由于存在着热处理变形,势必影响模具及锻件精度。解决热处理变形对精锻模具精度影响的方法主要有两种:减少热处理的变形,选择热处理性能较好的材料,制定合理的热处理工艺,该方法可以减少热处理变形,但是不能完全消除其影响;采用高速切削技术加工模具,高速切削可以直接加工淬火硬度达HRC 50的锻模型腔, 可以先淬火后加工,以减小热处理的变形,提高模具精度,同时该技术还能缩短制模周期。


3.3模具补焊技术

精密锻造工艺一般变形抗力较大,模具寿命较低,为了提高模具的重复使用寿命,模具补焊技术在精密锻造成形中得到了广泛应用。补焊的焊条材料为高合金钢, 补焊后的模具材料硬度可达HRC 60。根据国内某企业的试用结果,补焊后镶块式连杆锤锻模的平均寿命提高了1.63倍。


4、精密锻造成形过程数值模拟

对于精密锻造成形,成形工艺与模具设计往往依靠一些经验和直觉作为设计准则,在经过一次次试模、修正和改进后,才确定正确的工艺参数。这种常规方法具有很大的盲目性和试探性,并带来设备、材料和时间的浪费。这种缺乏科学性的经验方法,因其周期长、成本高、精度低,已不再适应现代制造业生产的发展要求。


目前锻造成形过程的计算机数值模拟得到广泛应用,利用数值模拟方法,可方便地确定塑性成形过程各个阶段所需的变形功和载荷,获得工件的内部应力、应变、温度分布和金属流动规律,获得模具的应力、应变、温度分布,预测工件的成形状况、残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布,为精密锻造成形过程的模拟与优化设计提供了强有力的工具。将数值模拟方法运用于精密锻造成形分析,主要有正向模拟技术和反向模拟技术等2种方式。


4.1正向模拟技术

正向模拟是从坯料开始,模拟工件在模具作用下的整个成形过程,以获得工件的变形情况和各种场变量的分布。数值模拟方法中较为精确且被广泛使用的方法为有限元法。当前已有一些大型的通用数值模拟商品化软件, 为工业界提供了可靠的模具设计验证工具。


应用这些分析工具对成形工艺过程进行模拟,使设计者可以分析模具形状、工艺参数等与产品性能之间的关系,观察成形情况以及是否产生内部或外部的缺陷,进而修改工艺及模具直到满意状态,从而在保证产品质量、减少材料消耗、提高生产率及缩短产品开发周期等方面显示了显著的优越性。


数值模拟方法在实际精密锻造成形中得到了广泛的应用。通过数值模拟研究了链轨节多工位连续锻造成形过程模具设计和坯料的初始位置定位,以减小终锻成形的飞边;对叶片精锻过程进行了三维刚粘塑性有限元模拟;对直齿圆柱齿轮精锻成形过程进行了模拟和工艺改进优化;对汽车发电机磁极精锻成形过程进行了模拟及其成形工艺优化;采用多场耦合技术分析了TC4叶片精锻成形的微观组织的演变。以三维镦粗为例对其微观组织的演化进行了实验和数值模拟研究等。


随着有限元分析软件的发展,精密锻造成形有限元模拟由二维向三维发展,由宏观向微观发展,由单.一场向多场耦合发展,取得了长足进步。然而精密锻造成形有限元模拟要实现真正的工程应用,仍有一些问题有待提高和完善。


1)分析效率的提高。复杂锻造成形过程分析效率较低,其中一个主要的原因是分析过程中,由于网格畸变导致的网格再划分。其有效的解决方法是采用抗畸变能力较强的六面体网格替代目前常用的四面网格,开发基于六面体网格有限元分析程序。


2)分析内容的扩展。目前,大多数的有限元分析软件对于工件几何形状、应力应变场分布等力学参数的计算已经比较成熟,但是对于材料的微观组织演变的分析还处于起步和探索阶段。而材料微观组织的演变对工件的机械性能影响显著,也是工艺和模具设计关注的重要问题。因此,材料的微观组织演变的分析将是锻造成形有限元分析软件一个重要的研究和发展方向。


4.2反向模拟技术

20世纪80年代中期, Kobayashi tin等提出了一种有限元反向跟踪(反向模拟)方法,并应用于实际锻造成形问题的预成形设计。这种反向跟踪方法是从完全充满终锻模腔的终锻件形状出发,以逆向变形方式模拟材料变形规律,按照规定的边界条件控制准则,通过解除边界节点的约束条件而得到任意时刻的预成形件形状。以该预成形形状为成形起点可以成形形状精确的工件,因此该项技术可以应用于精密锻造成形的工艺设计中。


等将优化方法应用于有限元反向跟踪和预成形设计,从而寻求在这种特定边界条件下的预成形设计。赵国群等根据工件形状复杂程度建立了有限元逆向仿真的边界条件控制准则和相应的预成形设计方法。Kang 1211还用刚塑性有限元反向模拟方法对挤压进行了预成形设计,以使挤出件具有平端头, 并用实验验证了设计结果。等对叶片成形过程进行了反向模拟,获得理想的预锻件形状。


反向模拟方法依赖于边界条件的控制准则。由于材料成形路径的多样化,建立通用的或者最佳的边界条件控制准则,仍存在较大的困难。而且通常反向模拟得到的预成形件的形状过于复杂,很难锻造成形,这又增加了预成形模具设计的难度。


作者:王忠雷 赵国群(1.山东大学模具工程技术研究中心,济南250061;2.山东建筑大学机电工程学院,济南250101)


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