何應(yīng)強(qiáng) 劉明松 龍正建 謝 彬 蔣崢嶸 朱黎明 廖 青

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

試驗(yàn)研究

基于數(shù)值模擬提高葉片多向鐓鍛模具壽命分析

何應(yīng)強(qiáng) 劉明松 龍正建 謝 彬 蔣崢嶸 朱黎明 廖 青

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

以葉片多向鐓鍛制坯工藝為研究對(duì)象，通過(guò)Deform模擬分析得到影響模具使用壽命的主要原因。通過(guò)模擬分析得到葉片多向鐓鍛速比因素、原材料斜切下料是導(dǎo)致鐓鍛模具失效的主要原因。對(duì)葉片多向鐓鍛速比優(yōu)化及原材料的垂直下料可以解決葉片多向鐓鍛的質(zhì)量問(wèn)題。

葉片；多向鐓鍛；模具；數(shù)值模擬

多向鐓鍛具有顯著提高材料利用率、生產(chǎn)效率和強(qiáng)烈細(xì)化晶粒等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于葉片鐓鍛制坯過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)充型偏心、模具坍塌、扭曲等質(zhì)量缺陷，造成葉片多向鐓鍛模具的使用壽命極低，不僅極大影響了產(chǎn)品質(zhì)量，也影響了生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本。影響熱鍛模壽命的主要因素是復(fù)雜的，其失效形式主要在材料強(qiáng)度、韌性與應(yīng)力因素，以及生產(chǎn)條件相互作用下發(fā)生的[2]。通常提高熱鍛模壽命的主要方法有：熱處理提高熱鍛模淬火硬度；選用較好的熱鍛模材料；合理使用熱鍛模，增加潤(rùn)滑，降低模具型腔溫度等手段[3]。除此之外，提高模具壽命還可從生產(chǎn)工藝優(yōu)化上進(jìn)行。本文基于數(shù)值模擬分析技術(shù)與生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)影響葉片多向鐓鍛模具壽命的主要原因進(jìn)行分析，提出有效提高模具壽命的工藝方案，從而提高葉片鐓鍛制坯生產(chǎn)效益，降低鍛模成本，真正實(shí)現(xiàn)葉片制坯效益最大化。

1 多向鐓鍛速比對(duì)模具壽命的影響

1.1 同速比鐓鍛成形模具受力分析

采用Deform數(shù)值模擬分析技術(shù)，分析葉片多向鐓鍛制坯工藝過(guò)程。葉片多向鐓鍛模擬分析初設(shè)左右凸模采用相同的鐓鍛速度14 mm/s，成形過(guò)程如圖1所示。

從葉片鐓鍛制坯成形過(guò)程看，坯料先充填凹模左型腔，后充填右型腔。此種情況的發(fā)生是由于制坯兩側(cè)型腔對(duì)金屬需求不一，左側(cè)需求少，右側(cè)需求多。在相同速比下，左側(cè)充型距離短，先充型，右側(cè)充型距離長(zhǎng)，后充型。對(duì)這種不同步多向鐓鍛充型變形進(jìn)行受力分析，得到的凸凹模水平受力情況，如圖2所示。

圖1 同速比鐓鍛制坯成形過(guò)程

圖2 凸凹模水平受力分析

圖3 不同速比優(yōu)化鐓鍛成形過(guò)程

圖4 優(yōu)化后凸凹模水平受力分析

當(dāng)鐓鍛模左腔室完整充型時(shí)，由于坯料無(wú)變形空間，造成變形抗力急劇增加，而此時(shí)右腔室還未充填型腔，坯料有變形空間，變形抗力沒(méi)有急劇增加。從圖2可以看出，在圖1鐓鍛中間狀態(tài)下，左凸模水平最大載荷1280 t，而右凸模受力僅為142 t，這種變形抗力通過(guò)坯料傳遞到凹模上，使凹模受到同等不同方向的變形力，兩側(cè)抗力差異1138 t，由左向右，其中上凹模承擔(dān)了565 t，下凹模承擔(dān)了552 t。在圖1鐓鍛終成形狀態(tài)下，右凸模最大受力達(dá)到1420 t，此時(shí)左凸模受力也達(dá)到1090 t，左右凸模受力的差值為330 t，由右向左，與此時(shí)上凹模水平受力148 t、下凹模水平受力170 t相吻合。若凹模長(zhǎng)期受到如此巨大側(cè)向力作用，將因偏載力使鐓鍛模位移變形，甚至固定凹模的螺栓將被彎扭報(bào)廢，因此同等速比的成形工藝方案不利于鐓鍛生產(chǎn)。

1.2 速比優(yōu)化鐓鍛成形模具受力分析

對(duì)于相同速比的非對(duì)稱(chēng)多向鐓鍛成形會(huì)造成較大側(cè)向偏載力問(wèn)題，可以通過(guò)優(yōu)化速比，實(shí)現(xiàn)兩端同步成形來(lái)改善模具受力情況。根據(jù)兩側(cè)鐓鍛變形距離，得到兩端同時(shí)完全充型的速度比，通過(guò)調(diào)整成形速度進(jìn)行工藝方案優(yōu)化。優(yōu)化后得到左凸模運(yùn)行速度為8 mm/s，右凸模運(yùn)行速度為14 mm/s。其成形過(guò)程如圖3所示，此時(shí)凸凹模水平受力分析如圖4所示。

從坯料鐓鍛變形過(guò)程看，坯料兩側(cè)變形情況基本一致，左右凸模水平受力也基本一致，無(wú)明顯差異，由于受力方向相反，可以抵消相對(duì)作用力，不會(huì)造成單向較大偏載力。由于兩側(cè)凸模受力相對(duì)平衡后，使得凹模水平方向也未受到較大側(cè)向力。從最終充型時(shí)的鐓鍛模受力情況看，凸模水平最大載荷1080 t，凹模最大水平載荷98.1 t，比同速比情況下凸模最大載荷1420 t，凹模最大載荷565 t減少較多。從受力變形整個(gè)過(guò)程看，只有終成形時(shí)，凸模水平受到側(cè)向最大載荷113 t，凹模水平最大側(cè)向載荷98.1 t，對(duì)比同速比情況下凸模最大側(cè)向載荷1138 t減少了1025 t，凹模最大側(cè)向載荷565 t減少了467 t，水平側(cè)向偏載力減少極大，這使模具受力狀態(tài)得到極大改善，進(jìn)而極大提高了模具使用壽命。

2 坯料對(duì)模具壽命的影響分析

據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，葉片鐓鍛制坯過(guò)程中出現(xiàn)了凹模型腔受偏載力作用變形嚴(yán)重，凸模也因受偏載力而致使嚴(yán)重變形失效，凸凹模實(shí)際生產(chǎn)失效如圖5所示。

圖5 鐓鍛模生產(chǎn)失效情況

圖6 斜切下料分析模型

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，凸凹模并非因兩端不同時(shí)到位而失效，而是因?yàn)榕髁蠌溺呭戦_(kāi)始就彎曲變形所致。經(jīng)對(duì)坯料檢測(cè)發(fā)現(xiàn)來(lái)料端面鋸切質(zhì)量較差，端面極不平整，不與軸向垂直，此種容易忽略的情況將極大影響鐓鍛模使用壽命。

為詳細(xì)分析來(lái)料不平整對(duì)鐓鍛模受力的影響，本文通過(guò)建立斜切分析模型來(lái)對(duì)此種情況進(jìn)行受力模擬分析，初設(shè)來(lái)料端面傾斜角度為2.5°，斜切下料分析模型如圖6所示。由于圓鋼鋸切斜度的存在，會(huì)造成鐓鍛過(guò)程中坯料兩端面受到非水平方向的傾斜力，從而造成坯料流向一側(cè)，斜切下料鐓鍛過(guò)程變化如圖7所示。

圖7 斜切下料鐓鍛過(guò)程變化

圖8 斜切下料模具受力分析

從斜切鐓鍛過(guò)程變化看，圓鋼在變形前階段，右側(cè)坯料已經(jīng)開(kāi)始上下半非均勻變形，下半部明顯比上半部坯料多，左側(cè)沒(méi)有明顯區(qū)別；到變形階段時(shí)，坯料鐓鍛已初具成形，左側(cè)上下部位充型均勻，右側(cè)充型下半型腔較多，充型傾斜斜面特別明顯；到最終充型階段時(shí)，坯料已基本充填模具型腔，左側(cè)充型均勻，右側(cè)明顯下半部位充型飽滿(mǎn)，甚至產(chǎn)生一定的毛刺飛邊，而上半部位充型還不完整，明顯不同于圖3充型結(jié)果。由此得知，小角度的鋸切下料將一定程度上影響坯料在模膛的充型變化。該葉片鐓鍛時(shí)由于左側(cè)所需坯料少，鐓鍛距離小，小角度斜切對(duì)坯料流動(dòng)充型沒(méi)有太大影響，而右側(cè)所需坯料多，鐓鍛距離大，坯料鐓鍛過(guò)程中發(fā)生一點(diǎn)傾斜，就會(huì)造成坯料模具型腔充型不平衡，從而影響到模具受力不平衡。由此可見(jiàn)，鐓鍛成形對(duì)圓鋼下料兩側(cè)端面有較高的垂直度要求。從左右兩側(cè)不同的坯料充型變化還可得出，鋸切傾斜角的影響程度與圓鋼直徑、變形距離有直接的關(guān)系。

根據(jù)斜切下料模擬分析情況，對(duì)凸凹模受力變化進(jìn)行了分析，受力分析如圖8所示。

從鐓鍛模載荷變化情況看，終成形時(shí)上下凹模水平受力各受到66 t和512 t的側(cè)向力，明顯高于圖4優(yōu)化分析受到的15.5 t和98.1 t側(cè)向力，但低于圖2鐓鍛分析受到的170 t和565 t側(cè)向力，下凹模比上凹模側(cè)向力大很多的原因是坯料往下凹模鐓擠成形，由于坯料在下凹模無(wú)變形空間，鐓鍛力被坯料傳遞到下凹模上，而此時(shí)上凹模由于坯料還未完全充型，因而模具受載荷小。從右凸模水平受力載荷看，終成形時(shí)右凸模受力1350 t，對(duì)比圖4優(yōu)化分析得到的1080 t，右凸模載荷明顯增加，分析原因?yàn)橛倚颓幌履２糠忠淹耆湫?，甚至毛刺飛邊產(chǎn)生，坯料已無(wú)變形空間，從而造成閉式擠壓載荷明顯增加。從左右凸模上下受力看，各受到36.9 t和223 t側(cè)向力，這種側(cè)向力的產(chǎn)生是由于坯料偏心充型使凸模受力不平衡引起的。而右凸模由于受到的上下223 t側(cè)向偏載力明顯高于左凸模，從而造成凸模彎扭變形，進(jìn)而造成右凸模啃下凹模，形成如圖5所示的右凸模變形嚴(yán)重，致使其失效。

3 結(jié)論

本文通過(guò)不同工藝、不同坯料狀態(tài)下對(duì)葉片多向鐓鍛變形過(guò)程、模具受力進(jìn)行有限元模擬分析，得到了生產(chǎn)過(guò)程中鐓鍛模具缺陷產(chǎn)生的主要原因，得到的主要結(jié)論如下：

(1)通過(guò)葉片多向鐓鍛不同工藝速比的對(duì)比分析，得到了坯料鐓鍛的變形過(guò)程差異及模具的受力差異，得出葉片多向鐓鍛的坯料成形充填必須同步一致，否則會(huì)造成極大側(cè)向力，容易造成鍛模報(bào)廢。

(2)對(duì)鐓鍛模彎扭、啃模失效狀態(tài)進(jìn)行工藝分析，發(fā)現(xiàn)容易忽略的圓鋼下料斜切現(xiàn)狀對(duì)葉片多向鐓鍛成形模具壽命有嚴(yán)重影響。斜切下料不僅影響鐓鍛件產(chǎn)品質(zhì)量，更嚴(yán)重降低了模具使用壽命，極容易造成鐓鍛模具報(bào)廢。

[1] 鄭彬彬，董傳勇，薛克敏，等. 三通閥體多向模鍛工藝研究[J]. 精密成形工程，2010(5)：61-63.

[2] 郭國(guó)林. 鍛模失效原因分析與修復(fù)方法[J]. 模具工業(yè)，2009，35(11)：66-68.

[3] 桌榮明. 提高熱鍛模使用壽命方法[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40(5)：83-85.

編輯 杜青泉

Analysis for Improving Service Life of Multi-direction Upsetting Die of Blade by Numerical Simulation

He Yingqiang, Liu Mingsong, Long Zhengjian,Xie Bin, Jiang Zhengrong, Zhu Liming, Liao Qing

The blanking forming process with multi-direction upsetting method of blade has been taken as the research object. The main reason which influences the service life of die has been obtained by means of Deform simulation analysis. Meanwhile, the main reason which leads to the failure of upsetting die is the speed ratio of multi-direction upsetting and the beveled blanking of raw material. The quality issue of multi-direction upsetting for blade can be solved by optimizing the speed ratio of multi-direction upsetting and changing into vertical blanking with raw material.

blade; multi-direction upsetting; die; numerical simulation

2017—11—20

何應(yīng)強(qiáng)(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事鍛壓工藝技術(shù)研究。

O242.1

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