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彎頭知識

承插彎頭分模鍛造成形工藝設計與試驗研究

作者:孟村彎頭 時間:2019-07-23 10:44
1、模鍛工藝過程路線
       本課題采用分模鍛造工藝成形DN40型90°承插彎頭鍛件,其鍛件圖的設計參見第2章。由于該鍛件尺寸較大,需采用熱鍛成形工藝,從而能夠實現在較小噸位的壓力機上成形。根據分模鍛造工藝的特點和承插彎頭鍛件的形狀特征,制定模鍛工藝過程路線為:下料→加熱→分模鍛造成形。該工藝相對普通模鍛成形承差彎頭工藝可以省去預鍛工序,并且能夠實現在一次加熱下完成承插彎頭的成形。
2、試驗設備與模具結構
2.1、試驗設備
       為了有效提高承插彎頭的生產效率,提高材料利用率及節約能源,根據上文所制定的模鍛工藝過程路線,需選用合適的試驗設備。
(1)下料方式及設備
       由于分模鍛造屬于無飛邊的閉式模鍛,因此對下料尺寸的要求嚴格;同時為提高生產效率,保證生產節拍的合理性,選用帶鋸下料方式同時對多根棒料進行鋸切,提高下料效率。所用設備為GZ4230/50臥式帶鋸床,如圖4-1(a)。
(2)加熱方式及設備
      一般的加熱方式由火焰加熱和電加熱兩大類。本課題選用電加熱中的中頻感應加熱方式進行坯料加熱,所用設備為Φ70中頻感應加熱爐,如圖4-1(b)。該種加熱方式的加熱效率高,能源利用率高,且有利于保證生產節拍和生產線的合理布置。
(3)鍛造設備
       由于機械式壓力機的生產效率明顯高于液壓式壓力機,并且能夠有效降低設備費用投入。本課題選用常用的JA31-400型閉式單點壓力機(圖4-1(c)),并裝載分模鍛造專用模架進行承插彎頭的分模鍛造成形。
承插彎頭分模鍛造成形所用設備
2.2、滑塊式自鎖式分模鍛造模具結構
       為實現承差彎頭的分模鍛造成形,本文設計了一種滑塊自鎖式分模鍛造模具結構,從而實現可分凹模的開模和合模,以及所需沖頭的運動形式,如圖4-2。在凹模7中鑲入用于成形承插彎頭所設計的芯模8,并通過凹模壓板3將凹模7固定在凹模套2中,主沖頭6安裝在壓力機上滑塊上,側沖18頭安裝在側沖頭底座17上。圖4-2(a)右側部分為該模具的開模狀態,此時凹模7在頂桿15和定位托盤16的作用下沿T型槽上劃并使得芯模8的兩半模分開。隨著頂桿15和定位托盤16下移,凹模套2沿著T型槽劃入凹模座1中,并帶動凹模7和芯模8合模。與此同時,側沖頭底座17帶動側沖頭18也沿著T型導軌下滑,與芯模一并構成模腔。此后,將加熱后的坯料放入模腔,主沖頭6隨壓力機滑塊下行,對坯料進行施壓,從而成形承差彎頭鍛件。由于凹模套2與凹模座的接觸面(T型槽斜面)與垂直方向的夾角很小,凹模套2在凹模座1中發生自鎖現象,傳遞到凹模套2上的變形抗力不會使凹模套2發生向上滑移而張開,此時凹模座1對凹模套2的反作用力提供該可分凹模的合模力。承插彎頭鍛件成形后,壓力機開始回程。此時頂桿15和定位托盤16在壓力機的作用下推動凹模套2,使得凹模套沿著T型槽上劃,從而打開凹模7和芯模8,同時側沖頭底座17也沿著T型槽上移,使得側沖頭18后撤,從而與承差彎頭鍛件脫離,最終取出承差彎頭鍛件。
滑塊自鎖式分模鍛造模具結構及原理圖
       圖4-3為根據上述滑塊自鎖式分模鍛造模具結構所制造的模架。圖4-4為根據熱鍛件圖尺寸所制造的DN40型承插彎頭的芯模。將芯模和沖頭裝入滑塊自鎖式分模鍛造模架內,再將該模架裝載到閉式單點壓力機內,從而可以進行承插彎頭分模鍛造成形。
滑塊自鎖式分模鍛造模架DN40型承插彎頭芯模
3、工藝過程參數
       為保證承插彎頭分模鍛造成形工藝的順利進行,本試驗需確定以下工藝參數:坯料材料、尺寸與初始溫度,坯料與模具間的潤滑條件,模具材料及預熱溫度和沖頭的運動路徑。
       (1)根據產品的要求,選用25鋼成形承插彎頭。25鋼的可鍛溫度為800℃~1200℃,根據第2章的有限元分析結果,將坯料加熱到始鍛溫度1150℃,既能有效降低所需成形力,又能防止鍛件過熱過燒。
       (2)根據熱鍛件尺寸,計算其熱鍛件體積為V鍛=161482.8mm3,由于采用中頻感應加熱方式對坯料進行加熱,其金屬的火耗率通常為 0.5%~1.0%,根據方程(4-1)計算坯料體積范圍為162290.3mm3≤V坯≤163097.7mm3
V坯=V鍛(1+δ) (4-1)
        其中V鍛為冷鍛件體積, V坯為坯料體積,δ 為火耗率。根據第2章有限元模擬結果得出,較小的坯料高徑比有利于提高變形的均勻性和溫度分布的均勻性。根據GB/T702-2008熱軋圓鋼和方鋼尺寸外形重量及允許偏差,選用 d坯=φ56mm圓鋼。根據方程(4-2)計算其坯料長度范圍為65.9mm≤L坯≤66.2mm 。
L坯=4V坯/(π.d2坯)(4-2)
         根據以上分析及計算結果,確定坯料的下料尺寸為φ56mm×66+0.2-0.1mm 。
      (3)在成形過程中,保持坯料與模具間的良好潤滑條件,能夠有效降低成形力,降低模具的失效率,以及提高鍛件的表面質量,因此需合理的選用潤滑劑和潤滑方式。在熱鍛中, 坯料與模具間的單位接觸壓力一般可達800MPa~1200MPa,成形溫度通常在800℃以上,因此難以形成潤滑膜,故通常采用液體潤滑劑進行潤滑。熱鍛潤滑劑種類較多,用于鍛鋼材料的潤滑劑主要有石墨潤滑和玻璃潤滑兩大類。潤滑劑的使用方式可以分為噴涂于模具上,噴涂于熱坯料上,加熱前噴涂于坯料上三種方式。充分考慮生產成本和潤滑效果,選用石墨水懸浮乳液較為理想,并采用較為容易的噴涂于模具上的使用方法。該種潤滑方式在1000℃的摩擦系數約為0.1376。
       (4)選擇合理的模具材料,保持良好的模具預熱,能夠有效的提高模具的使用壽命,降低模具費用的投入。本課題充分考慮批量生產承插彎頭的要求,選用H13熱作模具鋼,預熱溫度為300℃。
       (5)本試驗所采用的滑塊自鎖式分模鍛造模具結構,其側沖頭在可分凹模合模時已經運動到最終位置,故在成形過程中僅有主沖頭對坯料進行加載,其加載速度取決于壓力機滑塊的下行速度。
4、試驗結果分析
      圖4-5為在機械壓力機上運用滑塊自鎖式分模鍛造模具結構成形承插彎頭的成形過程與有限元模擬結果的對比圖。
承插彎頭試驗成形過程與有限元模擬成形過程
       從圖4-5可以看出,上管體先于側管體成形;在側管體的成形過程中,下方的金屬流動比上方的金屬流動速度快,因此側管體的成形順序是從下往上逐步填充完成。試驗的成形過程與有限元模擬過程中的成形過程非常接近,從而驗證了有限元模型的準確性。圖4-6為最終成形的承差彎頭鍛件與模擬鍛件對比圖。圖中可以看出,試驗所得承插彎頭的成形效果良好,與有限元模擬結果非常接近,證明了工藝方案及工藝參數的合理性。但該鍛件上仍然存在較小的飛邊,包括分模面上的橫向飛邊和管體兩端面上的縱向飛邊。這是由于該套滑塊自鎖式模具結構的合模力是由凹模座對凹模套的反作用力所提供,屬于被動加載方式,同時由于模具加工精度以及模具各零件間存在配合精度的范圍,因此在成形力較大時,可分凹模間仍會出現縫隙,從而產生飛邊。同樣的,兩沖頭與可分凹模間通過間隙配合進行裝配,并且由于模具加工精度以及長期使用后的磨損,使得鍛件在管體兩端面間容易出現微小的縱向飛邊。
試驗鍛件與模擬鍛件
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