張紅穎 劉 穎 劉曉芹

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

三通件是廣泛應(yīng)用于航空航天、石油、化工等領(lǐng)域的重要配件。隨著三通件性能要求的提高，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝已難以滿足其要求。鑄造、焊接方法生產(chǎn)的三通件組織性能低，不能滿足高性能要求領(lǐng)域的使用條件。采用先鍛造出坯料后用機械加工方法生產(chǎn)三通件會切斷鍛造流線。通過無縫鋼管熱壓成形的方法生產(chǎn)三通件所需設(shè)備噸位較大，所受限制多。多向加載成形就是通過在軸向和橫向等一個以上的方向上多組模具同時或順序地對坯料局部區(qū)域施加載荷使坯料發(fā)生塑性變形，以獲得預(yù)期形狀、尺寸、精度和性能的零件[1]。多向加載塑性成形三通件不僅生產(chǎn)效率高、鍛件精度高、材料利用率高，而且能獲得良好的材料流線和力學(xué)性能。本文對廠內(nèi)某典型等徑三通零件的熱擠壓成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了模具加載方式、坯料溫度和模具速度等工藝參數(shù)對成形過程及鍛件質(zhì)量的影響，為提出合理的工藝方案提供重要依據(jù)，從而指導(dǎo)生產(chǎn)過程。

1 數(shù)值模擬模型的建立

等徑三通件的材料為30CrMo。三通多向加載擠壓成形坯料為圓棒料，根據(jù)擠壓件重量，考慮擠壓飛邊、燒損和壓縮等因素，確定坯料的重量與尺寸。

圖1 多向加載擠壓成形幾何模型Figure 1 The geometrical model of extrusion forming with multi-direction load

多向加載擠壓三通成形的幾何模型如圖1所示。液壓機兩側(cè)水平缸推動水平凸模進(jìn)行水平運動，上凸模由穿孔缸帶動運動，凹模的上半部分固定在活動橫梁上，在模擬過程中將凹模上下兩部分合并成一整體。

2 加載成形方式的確定

多向液壓機能夠在水平和豎直兩個方向上同時或分別運動，所以水平凸模與上凸模也可以同時或按照一定順序加載。針對三種加載方式——同時加載、順序A加載、順序B加載進(jìn)行模擬，研究加載方式對成形過程及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

2.1 模擬條件

坯料溫度為1 150℃，環(huán)境溫度20℃，模具初始溫度為300℃，工件與模具間的摩擦因數(shù)為0.3，分別按照下列三種模具加載方式進(jìn)行成形過程的熱力耦合模擬：

(1)同時加載方式：上凸模與兩水平凸模以恒定的速度同時運動直至擠壓行程結(jié)束，上凸模的運動速度為3.3 mm/s，水平凸模的運動速度為50 mm/s。

(2)順序A加載方式：兩水平凸模首先以50 mm/s的速度在水平方向加載至其擠壓行程結(jié)束，然后上凸模以50 mm/s的速度向下運動直至擠壓行程結(jié)束。

(3)順序B加載方式：上凸模首先以50 mm/s的速度向下運動至其擠壓行程結(jié)束，然后水平凸模以50 mm/s的速度在水平方向加載直至擠壓行程結(jié)束。

2.2 模擬結(jié)果

這三種加載方式的金屬流動規(guī)律和最終的成形結(jié)果如下：

(1)同時加載方式：水平凸模和上凸模加載運動開始后，首先坯料兩端的徑向尺寸增大，大部分金屬材料逆向水平凸模的方向運動。隨著擠壓的進(jìn)一步進(jìn)行，金屬材料在水平凸模的作用下逐漸逆向上凸模的運動方向向上流動，直至擠壓行程結(jié)束。由于擠壓行程后期金屬主要向上運動充填上部型腔，金屬流動量比較大，擠壓困難，沿上凸模周向方向上材料的流動不均勻，成形完成時三通件上部管口形成了折疊。同時加載方式成形的三通件如圖2所示。

(2)順序A加載方式：水平加載開始后，坯料兩端首先有一定的徑向增大，大部分金屬材料在水平凸模的作用下向模具型腔上部運動，另有一小部分金屬材料逆向凸模運動。水平凸模擠壓行程結(jié)束、上凸模開始運動后，金屬材料繼續(xù)向上流動直至填充整個型腔。圖3所示為最終成形的工件形狀。

(3)順序B加載方式：上凸模與坯料接觸后，由于加載行程比較短，金屬材料僅產(chǎn)生了少量水平方向與沿凸模運動方向的流動。水平凸模開始加載后，金屬材料首先沿著模具運動方向流動，然后一部分材料逆向模具運動方向運動，一部分向上流動，擠壓行程后期坯料主要發(fā)生水平尺寸縮短和向上的金屬流動。這種加載方式成形的結(jié)果與同時加載類似，如圖4所示。由于擠壓后期成形困難，三通件上部管口產(chǎn)生了折疊。

圖5、圖6分別為模擬得到的三種加載方式下上凸模與水平凸模承受的載荷對比。因兩水平凸模處于對稱位置，受力基本相同，所以僅列出水平凸模1的成形載荷。

相比之下，同時加載與順序B加載方式在擠壓后期金屬向上流動行程較大，成形困難，成形載荷較大，且材料流動不均勻，不能成形出合格的產(chǎn)品。順序A加載方式下模具承受的載荷較小，成形出的三通件形狀和尺寸合格。所以，順序A加載方式是合理的加載方式。

3 坯料溫度的選擇

采用2.1中順序A加載方式和邊界條件，對坯料溫度分別為1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 220℃的擠壓過程進(jìn)行模擬。

圖2 同時加載方式成形的三通件Figure 2 The tee joint formed with multi-direction load at one time

圖3 順序A加載方式成形的三通件Figure 3 The tee joint formed with load in the order of A

圖4 順序B加載方式成形的三通件Figure 4 The tee joint formed with load in the order of B

圖5 三種加載方式下上凸模所受載荷對比Figure 5 The comparison of forming loads on the upper punch by three loading methods

圖6 三種加載方式下水平凸模1所受載荷對比Figure 6 The comparison of forming load on the horizontal punch No. 1 by three loading methods

圖7 不同溫度下水平凸模的載荷-行程曲線Figure 7 The curve between loading and stroke of horizontal punch at different temperatures

圖8 不同溫度下上凸模的載荷-行程曲線Figure 8 The curve between loading and stroke of upper punch at different temperatures

圖9 坯料溫度為1 100℃時工件的等效應(yīng)變Figure 9 Equivalent strain of work piece when billet temperature is 1 100℃

圖7、圖8分別為不同溫度下水平凸模與上凸模在整個變形過程中的載荷-行程曲線。

可以看出，各個坯料不同溫度下模具承受載荷的變化規(guī)律是一致的。在水平凸模的整個動作過程中，載荷量首先隨著擠壓行程的增加而逐漸增加，然后在擠壓行程的后期急劇增大并在此基礎(chǔ)上波動上升直至擠壓行程結(jié)束。上凸模承受的載荷首先隨著擠壓行程的增加而逐漸增加，然后在擠壓行程的最后階段急劇增加到一定值后在一定范圍內(nèi)波動，直至擠壓結(jié)束。坯料溫度越高模具承受載荷越小，1 100～1 220℃之間水平凸模所受載荷分別降低約13%、16%、5%，上凸模所受載荷分別降低約6%、13%、4%。這是因為在其他條件相同的情況下，坯料溫度升高，材料屈服極限逐漸降低，塑性指標(biāo)逐步提高，成形更易進(jìn)行，模具所受載荷逐漸減小。

圖9～圖12為坯料溫度為1 100℃、1 150℃、1 200℃和1 220℃下終擠后工件內(nèi)部的等效應(yīng)變圖?？梢钥闯?，等效應(yīng)變最大值分布在擠壓飛邊處。不考慮飛邊部分，工件內(nèi)部水平凸模與上凸模頭部的連皮處的等效應(yīng)變值最大。坯料溫度從1 100℃升高到1 150℃時擠壓成形更容易進(jìn)行，金屬材料的流動性增強，變形趨于均勻，成形件等效應(yīng)變的均勻性增加了。與溫度為1 150℃時相比，1 200℃和1 220℃下成形件等效應(yīng)變的均勻性逐漸下降，說明隨著坯料溫度的繼續(xù)升高，成形的不均勻性增加了。若坯料溫度過高，還容易發(fā)生氧化，易產(chǎn)生缺陷，擠壓力更容易產(chǎn)生波動。因此，綜合考慮選擇成形溫度為1 150℃。

4 擠壓速度對成形過程的影響

采用2.1中的順序A加載方式和邊界條件，水平凸模和上凸模分別以V=10 mm/s、50 mm/s、100 mm/s、500 mm/s的速度加載，模擬研究擠壓速度對成形過程的影響。

圖10 坯料溫度為1 150℃時工件的等效應(yīng)變Figure 10 Equivalent strain of work piece when billet temperature is 1 150℃

圖11 坯料溫度為1 200℃時工件的等效應(yīng)變Figure 11 Equivalent strain of work piece when billet temperature is 1 200℃

圖12 坯料溫度為1 220℃時工件的等效應(yīng)變Figure 12 Equivalent strain of work piece when billet temperature is 1 220℃

圖13 不同擠壓速度下水平凸模的載荷-行程曲線Figure 13 The curve between loading and stroke of horizontal punch at different extrusion speeds

圖14 不同擠壓速度下上凸模的載荷-行程曲線Figure 14 The curve between loading and stroke of upper punch at different extrusion speeds

圖13、圖14分別為不同擠壓速度下水平凸模與上凸模的載荷-行程曲線。

可以看出，擠壓速度為10 mm/s時擠壓力最大，這是因為擠壓速度低時工件熱量損失多，溫降快，材料變形抗力大。擠壓速度由10 mm/s增加到100 mm/s時，工件的熱量損失減少，熱效應(yīng)作用增強，成形溫度升高，軟化作用逐漸增強，模具所受載荷逐漸減小。擠壓速度增加到500 mm/s后，載荷不但沒有減小，反而高于速度為100 mm/s時，說明變形過程中金屬的加工硬化速度比軟化速度快，變形抗力增大。

在其他變形條件相同的情況下，由于變形產(chǎn)生的熱效應(yīng)作用，擠壓速度提高會使擠壓件的溫度升高，有利于降低變形抗力。但若擠壓速度過快，變形過程中金屬的回復(fù)和再結(jié)晶過程來不及進(jìn)行，材料的塑性下降、變形抗力增加，而且過快的擠壓速度會增加變形的不均勻性，影響表面質(zhì)量。所以綜合考慮，擠壓速度為100 mm/s是合理的擠壓速度。

5 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，上凸模不動，水平凸模首先加載，然后上凸模再向下加載至擠壓結(jié)束的加載方式能夠獲得合格的產(chǎn)品形狀和尺寸，且成形過程中的載荷量相對較小。

(2)通過對不同坯料溫度下的成形過程模擬能夠得出：各個溫度下的模具所受載荷的變化規(guī)律是一致的，坯料溫度越高，載荷量越小。隨著坯料溫度的升高，等效應(yīng)變分布的均勻性先增加后降低。綜合考慮1 150℃為適宜的坯料溫度。

(3)擠壓速度低時工件散熱量大，成形溫度相對較低，成形載荷較大。擠壓速度升高使成形產(chǎn)生的熱效應(yīng)增強，軟化作用增強，成形載荷降低，但過高的擠壓速度下金屬的回復(fù)和再結(jié)晶過程來不及進(jìn)行，材料的塑性下降，變形抗力增加。綜合來看，擠壓速度為100 mm/s是合理的擠壓速度。

通過數(shù)值模擬獲得等徑三通件的模具加載方式，優(yōu)選出合理的工藝方案，為工業(yè)試驗和生產(chǎn)提供了重要的指導(dǎo)作用，從而有效地縮短了工藝周期。

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