成形工藝分析
接套體是某槍械中的重要部件（如圖1所示），其質(zhì)量對(duì)槍械的整體性能影響非常大。該零件形狀特殊，底座為三面直壁組成，高寬比很大，中間為通孔，孔壁很薄，這些都使得成形難度很高。若采用閉式擠壓工藝，對(duì)于成形深筒形的件并不擅長(zhǎng)，并且實(shí)際生產(chǎn)中還面臨脫模困難的問題。傳統(tǒng)的接套體成形方案采用開式模鍛先鍛造出兩端無(wú)孔、底座填實(shí)的鍛件，然后通過機(jī)加工進(jìn)行生產(chǎn)。考慮到所用材料為30CrMnMoTiA（803A）（室溫力學(xué)性能如表1所示），這種材料的機(jī)加工性能差，所以這種工藝步驟復(fù)雜，材料的利用率低，大量的機(jī)加工破壞金屬流線，很難滿足零件的性能要求。
為了克服傳統(tǒng)工藝的不足，采用多向模鍛工藝。多向模鍛工藝可以鍛出形狀復(fù)雜、尺寸精確的中空鍛件，且鍛件最大限度的接近零件的形狀尺寸，顯著提高材料利用率，降低成本。雖然這種工藝成形步驟少，但一道次成形非常復(fù)雜，為了滿足成形質(zhì)量和模具壽命的要求，在實(shí)際生產(chǎn)前采用有限元模擬對(duì)成形過程進(jìn)行仿真分析，避免缺陷的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)合理的生產(chǎn)工藝方案。
模擬分析
模型建立和模擬設(shè)置
采用UG10.0軟件對(duì)接套體零件及成形模具進(jìn)行三維造型，將UG造型的坯料及模具模型導(dǎo)入到DEFORM-3D中進(jìn)行成形模擬。根據(jù)零件對(duì)稱的特點(diǎn)，選擇二分之一的坯料進(jìn)行模擬，既能保證模擬結(jié)果的有效性，又減少了計(jì)算量。坯料溫度設(shè)置為700℃，模具溫度設(shè)置為20℃，摩擦類型為剪應(yīng)力摩擦，摩擦因子設(shè)為0.12，坯料共劃分20000個(gè)單元網(wǎng)格，幾何模型裝配圖如圖2所示。
數(shù)值模擬結(jié)果分析
圖3為接套體成形過程中金屬流動(dòng)規(guī)律圖，從金屬流動(dòng)來(lái)看，可以將成形過程分為兩個(gè)階段。圖3a為左腔體成形階段，兩個(gè)水平?jīng)_頭對(duì)向運(yùn)動(dòng)并與坯料發(fā)生接觸，坯料整體向左移動(dòng)，坯料開始發(fā)生塑性變形。此時(shí)金屬在沖頭作用下發(fā)生反擠，模腔內(nèi)金屬流向與沖頭擠壓方向相反，該階段金屬除了沿水平方向流動(dòng)，還優(yōu)先流入左側(cè)大直徑腔體中，整個(gè)過程中的金屬流速最大僅有7.07mm/sec。圖3b為右腔體與下腔體成形階段，左右沖頭共同發(fā)生作用，驅(qū)使金屬向下流動(dòng)進(jìn)入垂直型腔。從圖中看出金屬向下流動(dòng)的速度很快，是因?yàn)樽笥覜_頭共同作用推動(dòng)金屬向下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)金屬的變形主要發(fā)生在中下區(qū)域，左右沖頭同時(shí)參與反向和徑向兩個(gè)擠壓過程。成形后期坯料整體流動(dòng)速度趨于接近，金屬填充較為飽滿，成形趨于終點(diǎn)。
圖4是接套體零件成形結(jié)束時(shí)的點(diǎn)接觸示意圖，從點(diǎn)接觸情況可以看出零件底座金屬填充飽滿，從表面成形質(zhì)量可以看出，除左右兩端面和底座僅有少許飛邊，兩側(cè)模膛和表面成形良好。
圖5（a）為左右沖頭隨變形時(shí)間的載荷變化曲線圖，結(jié)合以上對(duì)成形過程中的金屬流動(dòng)速度的分析，左右沖頭擠壓力在左腔體成形階段保持平衡，當(dāng)金屬開始往底部腔體中流動(dòng)時(shí)，左右沖頭擠壓力明顯增大，說(shuō)明這種窄而深的直壁成形難度非常高，并且接套體左右不對(duì)稱的特點(diǎn)導(dǎo)致左右沖頭發(fā)生偏載。圖5（b）為成形過程中張模力隨時(shí)間變化的曲線圖，可以看出充填完全時(shí)合模力約為5600kN。
根據(jù)以上對(duì)速度場(chǎng)和擠壓力的分析，得知當(dāng)金屬開始向下部腔體流動(dòng)時(shí)，該處的金屬流動(dòng)速度最快，左右沖頭提供的擠壓力也是明顯增加，此時(shí)模具受到的應(yīng)力最大，故在該模擬步數(shù)時(shí)對(duì)各塊模具進(jìn)行了應(yīng)力分析模擬，研究該成形工藝對(duì)模具使用壽命的影響情況。各模具應(yīng)力情況如圖6所示，分別是左右沖頭的應(yīng)力分布情況。模擬中模具材料為常用的H13鋼，其抗拉強(qiáng)度為1740MPa。從圖中看出左右沖頭的應(yīng)力最大處分別達(dá)到1690MPa和1440MPa，都已經(jīng)非常接近H13鋼的抗拉強(qiáng)度；從零件特點(diǎn)分析，左右沖頭不僅需要擠壓金屬填充左右部腔體，還需擠壓金屬填充下部腔體，反復(fù)的擠壓金屬對(duì)于左右沖頭的損耗非常大，而左部腔體的直徑更大，所以左沖頭的應(yīng)力稍大；從模具結(jié)構(gòu)分析，長(zhǎng)圓柱體式的設(shè)計(jì)導(dǎo)致在復(fù)雜的成形過程中，在沖頭根部容易發(fā)生斷裂，因此沖頭根部的應(yīng)力始終是最大的。模具的應(yīng)力情況關(guān)系著模具的使用壽命，對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)，延長(zhǎng)模具的使用壽命。
改進(jìn)措施
根據(jù)以上模擬分析，提出的接套體方案面臨著張模力過大和左右沖頭不平衡的問題，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)對(duì)設(shè)備的要求非常高。為了解決左右沖頭偏載問題，把模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，把一側(cè)的沖頭修改為擋板，并將成形溫度提高至1150℃。優(yōu)化后的沖頭載荷比較如表2所示，沖頭應(yīng)力及充填完成圖如圖7所示。
試驗(yàn)驗(yàn)證
設(shè)備及過程
試驗(yàn)設(shè)備為YH39-1000 10000kN模鍛液壓機(jī)、成形模具、電阻爐等。
根據(jù)在實(shí)際試模過程中對(duì)坯料溫度的控制，確定接套體開始擠壓溫度為1150℃，終止擠壓溫度為900℃，擠壓溫度范圍為1150～920℃。本次試驗(yàn)采用電阻爐加熱坯料，加熱規(guī)范為1150℃、保溫15分鐘，模具預(yù)熱溫度為400℃，沖頭和型腔刷以水基石墨潤(rùn)滑。加熱完畢后，將30CrNi3A鋼材坯料快速地放入模腔中進(jìn)行熱擠壓成形，其他條件與模擬設(shè)定的條件一致。
試驗(yàn)結(jié)果分析
實(shí)際過程中，考慮到設(shè)備的使用以及后續(xù)脫模問題，對(duì)模擬情況進(jìn)行優(yōu)化修改，下部型腔先不成形，后續(xù)再進(jìn)行機(jī)加工。圖8為鋼制接套體成形過程中不同階段的實(shí)物圖，由圖可以看出接套體成形過程中金屬流動(dòng)規(guī)律與上文數(shù)值模擬的情況一致，首先變形區(qū)集中在沖頭和型腔尾部，待孔成形之后，金屬開始填充下部型腔，最后充填各個(gè)端角。從表面質(zhì)量看，由于表面氧化皮脫落，造成鍛件端角和直邊部位出現(xiàn)缺肉現(xiàn)象。并且，型腔內(nèi)的氧化皮造成模具清理難度增大，影響模具的使用情況。
針對(duì)鍛件端角缺肉現(xiàn)象，在生產(chǎn)過程中采用高頻加熱設(shè)備進(jìn)行加熱，可以顯著減少加熱產(chǎn)生的氧化皮，改善鍛件的成形質(zhì)量并且延長(zhǎng)模具的使用壽命。另外，在頂尖塊上設(shè)置分流裝置，并在兩邊進(jìn)行倒角。分流的裝置能促使金屬向兩邊流動(dòng)，倒角處形成小的飛邊，保證了鍛件棱角充填的完整性。
結(jié)論
通過對(duì)模具結(jié)構(gòu)和成形溫度的調(diào)整，有效的降低模具承受載荷和延長(zhǎng)模具使用壽命，避免了沖頭偏載的問題，滿足實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的要求，成功鍛造出了符合要求的接套體鍛件，相比舊工藝提高了材料的利用率，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
