弯管锻件成形工艺模拟分析

文／苏丽芬·陕西宏远航空锻造有限责任公司

近几年，被广泛应用于航天航空设备上的弯管形状的模锻件很多，作为连接件，由于其形状特点，荒型的设计至关重要，会直接影响模锻件的消耗、模具的寿命及锻件的成形。在众多弯管中，我们选择了一种以弯曲点为中心，两侧长度非对称且落差较大的锻件进行模拟工艺分析，锻件外形见图1。

图1 锻件外形

此锻件整体尺寸较小，弯曲点两侧不对称并且靠近一端头只有十几个毫米，此类锻件的荒型成形难度较大，为了满足模锻件成形，需要设计胎模弯曲。

荒型成形工艺模拟分析

根据锻件外形设计荒型，为了有效提高材料利用率，满足锻件成形，现将荒型设计成如图2 所示。荒型基本按锻件外形设计，尺寸在锻件本体的基础上增加了毛边量，经计算，荒型重量为0.91kg。

图2 理论荒型

荒型镦粗工艺模拟分析

根据荒型外形，需要经过镦粗-弯曲成形。先设计镦粗胎模(图3)，镦粗胎模材料选用5CrNiMo，棒料放入镦粗胎模中间处。

对镦粗过程进行模拟，参数见表1。采用4锤成形，上下模基本重合，未发生折叠，荒型表面质量良好，模拟成形过程见图4，荒型见图5。

模拟后进行温度分布分析(图6)，镦粗后温度在271 ～446℃，接触下模具部分温度较低，其他部分温度较合适，为了保证锻造温度，镦粗工步采用一火完成。

表1 镦粗模拟参数

图3 镦粗胎模

图4 模拟成形过程

图5 镦粗荒型模拟结果

荒型弯曲工艺模拟分析

荒型镦粗后，需要进行弯曲才能达到锻件成形所要求的荒型，如何设计弯曲胎模及弯曲方向如何取舍是难点，为此我们模拟了以下4 种弯曲方案。

图6 镦粗后荒型温度分布图

图7 根据荒型设计的弯曲胎模

⑴第一种：根据荒型设计弯曲胎模，如图7 所示。因荒型弯曲部分为圆棒料，为使荒型弯曲后依然是圆棒料而不被压扁，对上胎模进行弯曲，弯曲型腔按最终荒型外形吻合。荒型弯曲模拟结果见图8。

从模拟结果可以看出，弯曲上下胎模已经闭合，但是荒型未达到弯曲的效果，对此设计继续进行模拟，发现锻件可达到弯曲角度，但需要将上弯曲胎模与荒型接触部分高度降低。

图8 采用第一种弯曲胎模的荒型弯曲模拟结果

图9 采用第二种弯曲胎模的荒型弯曲模拟结果

⑵第二种：在第一种胎模的基础上降低上弯曲胎模与荒型接触部分高度，并加大胎模型腔内圆。模拟后发现，弯曲部分的φ43mm 外圆有压扁现象，并且弯曲角度虽然较上次有所好转，但是依然有欠缺，模拟结果见图9。

通过第一种及第二种弯曲胎模模拟结果进行优化：改变弯曲方向，设计出第三种弯曲胎模。

⑶第三种：设计上下弯曲模具，弯曲方向翻转180°，模拟结果见图10。

图10 采用第三种弯曲胎模的荒型弯曲模拟结果

模拟后发现，φ43mm 外圆虽然没有压扁现象，但是弯曲角度没有达到要求。经过以上三种胎模综合分析，设计出第四种胎模：增加荒型横向跨度。

⑷第四种：设计弯曲跨度较大的弯曲胎模，如图11 所示，模拟结果如图12 所示。

图11 弯曲跨度较大的弯曲胎模

图12 采用第四种弯曲胎模的荒型弯曲模拟结果

从过程及结果可知，第四种弯曲胎模对比其他弯曲胎模，无论从弯曲角度上还是从防止外圆压扁的情况看，都具有优势。

模锻工艺模拟分析

对选取的第四种胎模进行成形模拟，模拟参数见表2。

表2 成形模拟参数

模拟结果表明，锻件充满良好，观察每锤锻件的金属流向，锻件未发生折叠等缺陷，如图13 所示。

图13 锻件充满状态

经温度分布(图14)分析后得出，锻件可一火成形，要求锻件终锻温度不小于380℃，实际最低温度是396℃，虽然在毛边上有个别点超过始锻温度，但不影响锻件本身的理化效果。

图14 温度分布图

模拟方案验证

按模拟参数进行生产验证，验证结果如下。

⑴锻造荒型。选取圆棒料先在镦粗胎模中镦粗，再在弯曲胎模中弯曲，荒型成形见图15。荒型杆部基本保持了圆形，弯曲点有轻微压伤，抛磨即可去除。

图15 实际生产中的荒型

图16 模锻成形后的产品实物

⑵模锻成形。将荒型在模具中模锻成形，生产验证结果基本与模拟过程吻合，模锻产品见图16。

结束语

⑴根据锻件外形可初步制定几种备选成形方案，通过模拟分析，选择一种合理的成形方案进行试制。

⑵不对称弯管模锻件成形比较困难，合理的荒型对模锻成形至关重要，对成形难度大的荒型，选择合适的胎模尤为重要。

⑶棒料经过镦粗→弯曲→模锻成形，每工步一火完成，材料利用率可达82.6%。

⑷模拟周期较现场实际生产周期可缩短近一个月。