V型球头热锻成形过程及DEFORM-3D模拟的研究

随着科学技术日益进步的要求，模拟成形软件的应用越来越普遍，渗透在塑性成形领域的各个方面，我们通常采用计算机模拟的方式来检验塑性成形过程的可行性和合理性。这一技术的广泛应用，使得人们能够提前预测材料在成形过程中可能会出现的一些情况，比如金属的流动、温度场的分布、应力应变的变化等情况，从而推测在材料成形过程中可能会出现的缺陷及失效形式。现如今针对锻造成形进行数值模拟的软件主要有：美国DEFORM软件、俄罗斯的QForm软件、法国的Forge软件，国内使用的软件主要有QForm、DEFORM等，其中以美国DEFORM软件的影响最大。利用DEFORM-3D软件可以实现锻造成形整个过程的数值模拟，在许多方面都可以进行深入的研究：如应力及应变的分布、载荷的计算、材料流动的速率、模具充满性和毛坯优化等方面，为模具的设计及成形设备的创新提供了更加可靠的理论依据。另外利用模拟软件能够减少模具设计人员的工作量，有效地缩短模具的研发周期，提高模具设计成功率。

工艺及模具设计

V型球头的锻造工艺性分析

我公司承制的V型球头，锻件重量为9.6kg，材质为45#。V型球头尺寸精度要求较高、机械加工余量少，仅在球头端面部位和叉子尾部有少量机加工余量，其他部位均为非加工面。由于V型球头在长度方向上截面形状变化剧烈，容易出现充不满、折叠以及材料利用率低等问题。因此需要合理选择坯料规格和设计模具结构，合理分配坯料，降低锻件成形力，提高材料的利用率和模具寿命。

V型球头的形状总体上较为复杂，直接采用一步锻造成形难度较大，故应采取分步锻造得到预期形状，第一步为自由锻制坯，使原材料（图1(a))通过1t电液锤变形后接近于图1(b)所示形状，为下一步预锻做好准备。预锻在整个锻造过程中处于很重要的位置，预锻的结果直接会影响到下一步终锻件的成形，甚至会影响到整个工艺方案的成败。预锻形状应尽可能接近终锻形状，为使金属在终锻时能以镦粗方式充满模膛，预锻件厚度方向尺寸应比终锻尺寸大2～5mm，而水平方向尺寸则应适当减小且预锻工步的金属体积比终锻工步大1%～6%。预锻后进行终锻，最后热切边得到预期的锻件。

图1 V型球头各工部三维模型

锻造工艺流程

下料→加热→自由锻制坯→模锻（预锻-终锻)→热切边→粗加工→热处理（调质处理)→抛丸→终检（金相组织、力学性能、硬度、磁粉探伤、流线等)。

设备吨位的确定

螺旋压力机的锻造成形力（kN)可按下式计算：

式中：F—螺旋压力机公称压力(kN)；α—与模锻方式有关的系数，开式模锻为4，闭式模锻为5；S—锻件在分模面上的投影面积（开式模锻时包含飞边桥部面积)(mm2)；V—锻件体积(mm3)；σ—锻件在终锻温度下的屈服极限(MPa)，通常可用同温度下的强度极限σb代替。

上式适用于打击一次成形所需要的设备吨位，若采用2～3次打击成形，则所需成形力为其1/2。对于V型球头为开式模锻α=4，σ按终锻温度900℃取值55MPa；S=42508mm2；V≈1350318mm3；把参数代入公式，经计算，F≈24782kN，根据我公司现有设备选用2500t电动螺旋压力机。

锻造方案模拟

建模

根据模具设计得到的结果，对模具和坯料进行实体建模。首先在UG8.0软件中进行3D图的绘制，将图形转换为.STL格式，导入DEFORM-3D中。

DEFORM-3D的参数设定

锻造模拟结果及分析

锻造过程中的载荷-行程曲线

图2 锻模三维造型

图3 载荷-行程曲线

通过对V型球头锻造过程的数值模拟，得到如图3所示的载荷-行程曲线。在预锻初始阶段，载荷从小缓慢增大，随着坯料与模具型腔表面的接触面积的增大，载荷平稳上升，随着锻造过程的深入，直到预锻成形阶段，载荷上升速度迅速增加，直至料坯充满预锻型腔；在终锻成形阶段，锻件变形很小，故载荷迅速达到最大，此阶段飞边会阻止金属沿水平方向流动从而促使坯料充满型腔，由于飞边非常薄，使得金属流动需要非常大的载荷。在锻件成形的终了阶段，金属已完全充满型腔，但上、下模未打靠，随着上模下压，型腔中多余的金属流向飞边槽，此时载荷达到最大为37MN，此结果与吨位计算结果24782kN相差较大，众所周知影响模锻力的因素很多，模锻力计算误差很大。因此在实际生产中应结合实际经验与计算结果不断总结出参数数据，从而减小计算误差。因为2500t电动螺旋压力机长期运行许用载荷为40MN，因此选择2500t电动螺旋压力机能够完全满足V型球头生产需要。

锻造缺陷分析

图4为V型球头终锻成形效果图。对金属填充效果及折叠情况进行了分析，从图中可以看出料坯能够完全填充型腔，飞边比较均匀，折叠全部挤压到飞边上，切边后可以去除，对锻件无任何影响。

图4 终锻成形效果图

等效应力和等效应变分析

图5和图6分别为V型球头预锻和终锻阶段的锻件等效应力和等效应变效果图。从图中可以看出，锻件叉子部位等效应力和等效应变远大于球头部位，即球头部位金属变形并不大，而叉子部位金属变形比较大，故在模具设计时预锻型腔叉子部位平滑过渡，中间连皮设计较厚，以防金属在成形过程中剧烈变形产生折叠、填充不满等缺陷。通过等效应力及应变效果图观察V型球头在热锻成形过程中各处变化情况，掌握成形过程中缺陷容易产生的部位，避免产生锻造缺陷，指导模具设计。

图5 等效应力效果图

表1 锻件力学性能

图6 等效应变效果图

工艺试制

图7为切边工序结束后的产品实物，锻件表面无折叠和裂纹的产生，说明整个锻造工艺的设计较为合理，通过试制和数值模拟的结果比较：模拟能够有效的预测坯料充型情况，从而验证模具设计的可行性和准确性。

图8为锻件调质后的显微组织（表面为回火索氏体、心部为铁素体+珠光体、晶粒度8级)照片，表1为锻件的力学性能。显微组织和力学性能均符合图纸要求。锻件在初次试制后出现了一些质量问题，主要问题是锻件厚度超差1mm左右，分析其原因是球头和叉子过渡部位飞边超出飞边槽，导致模具未完全闭合。在保证锻件完全充满型腔的情况下，减少下料重量；通过优化设计模具，加大模具终锻型腔飞边槽仓部宽度，另外在过渡部位飞边槽增加阻力槽，可以增加此部位飞边阻力限制飞边宽度，使模具完全打靠，保证锻件厚度方向尺寸。

图7 试制锻件实物

图8 锻件显微组织

结论

⑴用自由锻制坯和预锻+终锻相结合的工艺可一火成形精度要求较高的V型球头锻件；

⑵采用DEFORM-3D数值模拟方法可以有效验证锻造模具的设计，提高模具设计效率和可行性；

⑶通过加宽飞边槽仓部尺寸和增加阻力槽，使得锻件成形效果好，尺寸达到图纸要求，产品质量稳定。