四通阀体热锻成形 CAE 分析及工艺优化
责任编辑:绿豆鲨     时间:2021-06-03     来源:转载于中国知网
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四通阀体是机械装备领域常用的流体控制关键零部件之一,它与管道连接,通常在高温高压条件下工作,因此,对四通阀体的力学性能、抗疲劳性能提出了较高的要求[1 - 4]。为了能够生产出符合要求的高安全性、高可靠性产品,采用多向模锻工艺生产。多向模锻结合了挤压和模锻的优点,成形质量好、锻件的尺寸精度高、材料利用率高,从根本上解决了传统加工铸造成形质量低、机加工效率低、成本高的问题[5 - 8]。然而在实际生产中,由于锻造工艺参数选择的不合理,使得四通阀体在成形过程中填充不满、锻后温度分布不均匀,引起冲头载荷过大等。近年来,随着计算机技术的发展,有限元被广泛应用于工艺方面的研究,例如: 陈康等[9]为了了解支撑座锻件填充不满的原因,采用有限元技术对支撑座的锻造过程进行了仿真,最终得出了由于预锻件形状的不合理导致锻件局部填充不满的结论,实现了工艺的优化; 张卫卫[10]为了研究模具加载方式对轴类锻件成形性能的影响,以齿轮轴的闭式模锻成形为研究对象,通过有限元技术分别对单向加载及双向加载方式进行了仿真,依据结果得出了结论,即双向加载方式获得的锻件质量优于单向加载;曹国英[11]为了获得汽车变速器驱动轴的最优工艺参数,对驱动轴的温锻过程进行了仿真,对比分析了各工艺参数对齿轮轴温锻成形质量的影响,最终获得了最优工艺参数。

本文为了解决上述问题,通过DEFORM-3D 数值仿真,研究了水平冲头进给速度、垂直冲头进给速度、坯料加热温度对锻件温度分布及锻件成形质量的影响,从而有依据地优化了四通阀体的热锻工艺参数。

1阀体结构与热模锻工艺

1. 1四通阀体结构

本文研究的四通阀体结构如图1所示,上、下通道的外径尺寸为 Φ102mm,长度为 145 mm,通孔内 径 为 Φ50 mm;左、右 通 道 的 外 径 尺 寸 为Φ98 mm,长度为 145mm,通孔内径为 Φ50 mm。通过阀体结构分析以可得出,从 4 个方向挤压棒料成形时,金属在模具中产生塑性流动,水平方向率先填充完整,垂直方向容易出现填充不满的现象,引起冲头载荷过大等问题。为了方便后续测量,定义图 1 中 P1点为垂直 ( 上下) 通道内径上的点,P2 点为水平( 左右) 通道内径上的点。

1. 2 阀体锻造材料

四通阀体材料采用 2Cr13 不锈钢,其化学成分及力学性能[12]分别如表 1 和表 2 所示。2Cr13 不锈钢为马氏体不锈钢,由于其硬度好、塑性佳、强度

高、耐腐蚀性能好,被广泛应用于各类高压阀体件。

1. 3热模锻工艺过程

四通阀体成形采用多向模锻工艺,其工艺过程为: 先将模具预热,然后将加热的坯料放入模具中间,左、右水平冲头及上、下垂直冲头分别抵住坯料的两端及坯料的外径,通过锻压机,左、右水平冲头和上、下垂直冲头同时以 V左、V右、V上、V下 的进给速度进行四向挤压,使金属材料在模具中完成填充过程,形成锻件,其填充过程如图 2 所示。由于锻件具有对称性,V左、V右 应当设置一致,V上、V下应当设置一致。本文基于四通阀体的结构参数以及 2Cr13 不锈钢材料的物理性能,拟定了相关工艺参数 如 下: 锻件坯料直径为 Φ80mm,长 度 为200 mm,坯料加热温度为 850 ~ 1200℃,模具预热温度为 350 ℃,换热系数为 2100 W·( m2 ·℃) -1,左、右水平冲头的进给速度 V左、V右为 1 ~20 mm·s -1,上、下垂直冲头的进给速度 V上、V下为6 ~28 mm·s -1。

2 模锻工艺参数对锻件质量的影响

为了研究模锻工艺参数对锻件质量的影响,基于 DEFROM-3D 软件对四通阀体的成形过程进行模拟,分析锻件成形过程中的材料流速分布及温度分布。设置坯料的加热温度为 1120 ℃,水平冲头进给速度 V左、V右 为 10 mm·s - 1,垂直冲头进给速度V上、V下 为 22 mm·s - 1,获得的成形后锻件金属材图 3 锻件金属材料流速分布图料流速分布图和锻件温度分布图如图 3 和图 4 所示。从图 3 可以看出,与水平冲头接触部分的金属材料流速高于与垂直冲头接触部分的金属材料流速,通过点追踪测得 P1 点处的流速为 19. 80mm·s - 1、P2点处的流速为 6. 86 mm·s - 1,两处流速差值较大,因此可得出,冲头进给速度选择的不合理以及坯料加热温度选择的不合理会造成锻件在成形过程中局部位置流速差过大,使得锻件在冷却过程中产生锻造应力,从而影响成形质量。从图 4 中可以看出,锻件的温度分布基本符合锻件内部温度较高、表面温度较低的规律,基于点追踪,测得 P1 点处的温度为 1050 ℃,而 P2 点处的温度为 929 ℃,温差为121 ℃,温差较大,因此可以得出,冲头进给速度选择的不合理以及坯料加热温度选择的不合理会造成锻件成形过程中局部位置温差过大,使得锻件在冷却过程中产生锻造应力,从而影响成形质量。

基于上述分析,为进一步研究冲头进给速度、坯料加热温度对锻件成形质量的影响,本文研究了水平冲头进给速度、垂直冲头进给速度以及坯料加热温度对 P1 点、P2 点处温差的影响。通过控制变量法进行研究,保持坯料加热温度为 1050 ℃、垂直冲头进给速度为 18mm·s - 1 不变,变量水平冲头进给速度的取值在 1~ 20 mm·s - 1 之间,依次通过DEFORM-3D 进行仿真,记录数据,获得的水平冲头进给速度对 P1 点、P2 点温差的影响曲线,如图5 所示。从图 5 中可以看出,P1 点、P2 点的温差在取值范围内随着水平冲头进给速度的增加先降低、后增加,温差最大为 176 ℃,温差最小为 30 ℃,温差最小时的水平冲头进给速度为 7 mm·s - 1。

图 6 为垂直冲头进给速度对 P1 点、P2 点温差的影响曲线,获得该组数据的工艺参数为: 保持坯料加热温度为1050 ℃、水平冲头进给速度为 7mm·s -1不变,变量垂直冲头进给速度的取值在6 ~28mm·s -1之间。从图 6 中可以看出,在取值范围内,随着垂直冲头进给速度的增加,P1 点、P2 点的温差同样呈现先降低、后增加的趋势,垂直冲头进给速度为6 ~ 18 mm·s - 1时,温差由 121℃ 降低至 30 ℃,垂直冲头 进 给 速 度 为 18 ~ 28 mm · s - 1时,温 差 由30 ℃ 升高至 98 ℃。

图 7 为坯料加热温度对 P1 点、P2点温差的影响曲线,获得该组数据的工艺参数为:保持水平冲头进给速度为 7 mm·s - 1、垂直冲头进给速度为18 mm·s - 1 不 变,变量坯料加热温度的取值在850 ~ 1200 ℃ 之间。从图 7 中可以看出:坯料加热温度在 850 ~ 1050 ℃ 之间时,P1 点、P2点的温差从 156 ℃ 降低至 30 ℃ ; 坯料加热温 度 在 1050 ~1200 ℃之间时,P1 点、P2 点的温差从30 ℃缓慢升高至 80 ℃。两点温差最小为 30 ℃,此时坯料加热温度取值为 1050 ℃。综上所有分析,当水平冲头进给速 度 为 7 mm · s - 1, 垂直冲头进给速度为18 mm·s - 1,坯料加热温度为 1050 ℃ 时,两测量点温差值最小,为 30 ℃,后续锻件冷却后应力较小,锻件质量较高。

生产验证

依据上述最优工艺参数,在多向模锻液压机上进行零件试制。坯料采用锯床下料,坯料直径为Φ80 mm,长度为 200 mm,坯料加热至 1050 ℃ 时,将加热的坯料放入预热的模具中,获得的锻件如图8 所示。可以看出,锻件外形良好、填充饱满、无裂纹及材料折叠等缺陷,与模拟结果较为吻合。结果表明,通过有限元技术模拟分析获得的工艺参数是可靠的,能够很好地指导实际生产。

4 结语

采用有限元软件DEFORM-3D 模拟了四通阀体的热锻成形过程,研究了水平冲头进给速度、垂直冲头进给速度、坯料加热温度对锻件温度分布及锻件成形质量的影响,结果表明,冲头进给速度及坯料加热温度选择的不合理会造成锻件在成形过程中流速差或温差过大,影响锻件的成形质量。并且通过控制变量法对比分析得出,当水平冲头进给速度为 7 mm·s - 1、垂直冲头进给速度为 18 mm·s - 1、坯料加热温度为 1050 ℃时,测量点的温差最小,锻件在冷却后锻造应力最小,锻件的成形质量最高。

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转载于:王波,张加正.四通阀体热锻成形CAE分析及工艺优化[J].锻压技术,2021,46(05):7-11.


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绿豆鲨  回复 2021-06-03 15:42:56
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