鋁合金鍛件輥鍛模設計及有限元分析

文/張海建·江蘇亞太安信達鋁業有限公司

鋁合金鍛件輥鍛模設計及有限元分析

文/張海建·江蘇亞太安信達鋁業有限公司

張海建，鍛造工藝員，主要從事熱模鍛模具及工裝設計、鍛造工藝制定及鋁合金熱處理工藝制定，自主研發了輥鍛模具計算程序，并在實際生產中得到驗證。

目前，國內很多鋁合金鍛造廠家在鍛件制坯時采用的是拔長工藝，一般采用自由鍛拔長、楔橫軋和輥鍛這三種。自由鍛拔長對作業員的技能水平要求比較高，并且自動化程度低，楔橫軋制坯工藝自動化程度高，但是軋制出的產品形狀有局限性，所以輥鍛工藝得到越來越多公司的青睞。

本文主要闡述了輥鍛工藝中輥鍛模設計，國內輥鍛模設計部分公司還是采用筆算法，這種計算方法時間長，難度高。少部分公司采用了德國ERATZ工程公司開發的VEARCAD進行計算并結合有限元進行分析，這種計算數據準確，速度快，但是相對成本比較高。本文中主要使用Excel程序進行計算并結合有限元進行分析，這種計算數據準確，速度快，并且相對成本較低。

輥鍛毛坯設計

設計輥鍛毛坯的基礎是鍛件截面圖和計算毛坯圖。通常是將截面圖按長度上面積不同分成若干特征段，可以分成大頭、桿部、小頭及過渡區段，利用塑模軟件（UG、Pro/E等）分析出各個斷面的面積。

根據分析出的面積，計算出輥鍛件的各個截面積的大?。ㄒ罁a品結構與各個公司設備的實際情況進行設計），本文中是按照理論截面積的1.2～1.3倍進行設計,本文中鋁合金鍛件的原材料規格是φ58mm鋁合金棒材。根據產品結構，設計出最終的輥鍛件,本文中最終輥鍛件造型如圖1所示。

圖1 輥鍛件造型

輥鍛模具設計

輥鍛道次的確定,利用Excel程序快速算出需要的道次，棒料橫截面積S1為2642.079mm2，輥鍛最小橫截面積S2為800mm2，原始棒料直徑D為58mm。此輥鍛件最終桿部截面為橢圓，小頭截面為矩形，根據算出的理論道次，確定此輥鍛件3個道次可以輥鍛出，只需填寫輥鍛最小橫截面S2即可算出理論道次。選擇截面方法可以參考《鍛壓手冊》中的輥鍛模具設計，此輥鍛件桿部截面的選擇為原材料→橢圓→圓形→橢圓；小頭截面的選擇為原材料→橢圓→圓形→矩形。各道次截面積及長度計算，利用Excel設計計算程序，計算方法為“極限假設法”，計算出各道次面積，見表1。

表1

表1中n代表道次當n=1的時候，在此道輥鍛變形中，變形截面已經達到理論極限值，當n＜1的時候，變形量則小于理論極限值，只要變形型槽選擇得當，則此道輥鍛工藝可以順利進行，在較為簡單的變形中n可以大于1（如圓到橢圓）。上述表中只需填寫n即可，其余數值可以自動生成。

逆推法計算過渡區長度，只需在陰影部分填寫最后一道過渡區的長度即可。截面尺寸及相應矩形高度如圖2所示。

圖2 截面尺寸及相應矩形高度

模具設計及有限元分析

此輥鍛件在加工過程中選用的是北京機電研究所研發的370輥鍛機，結合上述計算的數據，利用塑模軟件（UG、Pro/E等）設計出輥鍛模，如圖3所示。結合有限元分析軟件（Deform、Qform等）分析輥鍛過程，微調前滑數值，直至模擬出的鍛件與理論設計的輥鍛件基本一致。

最后進行模擬后的最終產品及缺陷分析，分析后得出折疊區域都在非關鍵面上，模具關鍵型腔全部充滿。綜上所述，此輥鍛模設計合理，可投入生產。實際生產的產品如圖4所示。

圖3 塑模軟件（UG、Pro/E等）設計出輥鍛模

圖4 實際生產的輥鍛件

結束語

此種計算方法充分利用了Excel的優勢，成本較低，能夠方便快捷的計算出輥鍛模，不管是用Vearcad計算輥鍛模，還是利用Excel編寫程序計算輥鍛模，都要求技術員在設計過程中不停的總結經驗，從而減少有限元分析的時間，來提高工作效率，提高模具壽命，提高材料利用率，充分的為企業增值增效。