大型长筒锻件成型工艺研究.pdf

前言铝合金大型长筒锻件是大型压力容器用无缝筒节装置的主体部件，广泛应用于航天、石油化工、核电等多个领域1。随着科技进步和制造业的发展，大型长筒应用日益增多，尺寸越来越大，技术要求不断提高。锻件最终经扩孔成型，但在扩孔阶段会出现翘曲、喇叭口、长度缩短等问题，严重影响了锻件尺寸加工。运用DEFORM成型模拟，调整成型方案，最终顺利解决问题，确保锻件顺利批产。1成型方案1.1 材料本研究采用的是大型 7075 铝合金长筒锻件。锻件加工尺寸：外径550 1 150 mm，壁厚 50 mm，长度2 550 mm。7075铝合金长筒锻件特点：壁厚薄、长度长、尺寸变动大，锻造成型难度较大。1.2 工艺路线本大型长筒锻件的成型方案：锯床下料铸锭加热自由锻开坯反挤压锯切筒底芯轴拔长马杠扩孔2。1.3 马杠扩孔马杠扩孔是大型筒型锻件生产的关键环节，其变形情况将直接影响产品的最终质量3。在最终实际马杠扩孔过程中，出现了扩孔后筒形件轴向长度大量收缩的现象，这与以往生产经验不相符。一般筒形件扩孔后其高度会略有增加，而非缩短。为探究筒形件分阶段扩孔对长度的影响，减少人力、物力的消耗，使用DEFORM-3D模拟4大型锻筒型件成型，以7075铝合金筒形件扩孔成型过程为研究对象，研究三种不同的成型方案。2分段扩孔长度缩短模拟分析本次主要模拟7075铝合金大型长筒成型时扩孔收缩问题，通过模拟马杠扩孔后的长度变化情况，与实践相结合，为优化大型铝合金长筒成型提供理论与实践支持。本次模拟坯料信息见表，模具信息见表。表1坯料信息合金牌号7075表2模具信息上平砧温度/400温度/450规格/mm长2 200宽1 400规格/mm内径650高450倒角50外径855马杠温度/400规格/mm直径600长度2 550长度4 000大型长筒锻件成型工艺研究丛镇渔，王雪强，袁生明，朱宜杰，王通健（山东南山铝业股份有限公司，烟台 265700）摘要：通过对7075铝合金大型长筒锻件锻造扩孔环节成型方法的深入研究，利用DEFORM-3D软件对长筒分阶段扩孔进行有限元分析及优化，解决了大型长筒形锻件成型时马杠扩孔长度缩短问题。采用该关键技术能够生产出优质的大型长筒形锻件。关键词：大型长筒；自由锻造；成型方式中图分类号：TG319，TG146.21文献标识码：A文章编号：1005-4898（2023）04-0027-04doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2023.04.06作者简介：丛镇渔（1992），男，山东滕州人，本科，主要从事铝合金、钛合金及高温合金锻件及模具设计工作。收稿日期：2022-12-282023年第4期总第273期铝加工工艺技术 272.1 模拟过程：2.1.1两阶段扩孔：（1）第 1 圈扩孔：上砧压料长度 1 475 mm；上砧压下速度20 mm/s；上砧压下量520 mm，坯料旋转速度18/压下。图1示出了第1圈扩孔前、后效果图。（a）扩孔前（b）扩孔后剖面图1第1圈扩孔前、后效果图（2）第2圈扩孔：上砧压料长度1 793 mm；上砧下压速度20 mm/s；上砧压下量20 mm；工件旋转速度18/压下。图2示出了第2圈扩孔后效果图。图2第2圈扩孔后效果图（3）第3圈扩孔：上砧压料长度1 818 mm；上砧下压速度20 mm/s；上砧压下量10 mm；工件旋转速度16/压下。图3示出了第3图扩孔后效果图。图3第3图扩孔后效果图（4）第4圈扩孔：上砧压料长度1 428 mm；上砧下压速度20 mm/s；上砧压下量10 mm；工件旋转速度16/压下。图4示出了第4图扩孔后效果图。图4第4圈扩孔后效果图（5）第5圈扩孔：上砧压料长度1 378 mm；上砧下压速度20 mm/s；上砧压下量2.5 mm；工件旋转速度15/压下。图5示出了第5圈扩孔后效果图。图5第5圈扩孔后效果图（6）第6圈扩孔：上砧压料长度1 982 mm；上砧下压速度20 mm/s；上砧压下量2.5 mm；工件旋转速度15/压下。图6示出了第6圈扩孔后效果图。图6第6圈扩孔后效果图两阶段扩孔结果见图 7，长管壁厚扩孔前为102.5 mm，扩孔后为70 mm。扩孔过程中长筒锻件轴向尺寸变化见图8。模拟完成后锻件变形不规则，整体呈喇叭口状：大口端外径约为1 272.8 mm，内径约为1 134.35 mm；小口端外径约为1 071.69 mm，内径约为 932.833 mm；轴向母线长度最大值约为 2558.98 mm，最小值约为2528 mm，锻件轴向有效长度较拔长前缩短22 mm。（a）三维展示（b）剖面展示图7两阶段扩孔完成后工件尺寸丛镇渔，等：大型长筒锻件成型工艺研究工艺技术 28图8扩孔过程中长筒锻件轴向尺寸2.1.2三阶段扩孔：基于上述模拟情况进行拓展，探究三段式马杠扩孔的影响：是否有利于长筒扩孔均匀变形；轴向长度变化情况。根据三段式扩孔顺序，又分为“123 方案”、“132方案”两种小方案，见示意图9，分别进行探究模拟。图9长管三段式分布图采用与两阶段相同的压下速度、旋转角度等模拟变量，通过不同的下压顺序与分段，三阶段扩孔“123”和“132”结果分别见图10和图11，长管壁厚扩孔前为102.5 mm，扩孔后为70 mm。扩孔过程中长管轴向尺寸变化见图12和图13。模拟中完成后工件整体呈直筒状，但不同部位直径有一定差异，具体为：（1）方案“123”最终成型长管轴向尺寸约2587.78 2593.17 mm，较扩孔前（2 550 mm）伸长约37 mm。（2）方案“132”最终成型长管形状较不规则，扩孔完成后轴向尺寸约2588.28 2597.6 mm，较扩孔前（2 550 mm）伸长约38 mm。（a）扩孔完成后工件尺寸（b）轴向剖视图图10方案“123”马杠扩孔模拟结果示意图（a）扩孔完成后工件尺寸（b）轴间剖视图图11方案“132”马杠扩孔模拟结果示意图图12方案“123”扩孔过程中长筒锻件轴向尺寸图13方案“132”扩孔过程中长筒锻件轴向尺寸2.2 模拟结果（1）使用两阶段扩孔方法模拟，其轴向长度2023年第4期总第273期铝加工工艺技术轴向长度mm轴向长度mm轴向长度mm扩孔过程长度标准值扩孔前 第1次扩孔 第2次扩孔 第3次扩孔 第4次扩孔 第5次扩孔 第6次扩孔 29较扩孔后会缩短约22 mm，且扩孔后锻件变形不规则，整体呈较为严重的喇叭口状。（2）使用“方案123”或“方案132”马杠扩孔后，其轴向长度均有所增长，两者伸长程度相差不大，前者伸长约37 mm，后者伸长38 mm。（3）2 550 mm长管使用“方案123”与使用“方案132”马杠扩孔后相比较，前者形状变化较为规则。（4）两种方案在模拟过程中，均出现工件沿马杠轴线窜动的情况，预计限制轴向窜动会有利于其均匀变形。3分析讨论因为平砧长度不能覆盖管坯全长，必须采用分段扩孔。分两段扩孔：为保证扩孔均匀性，每次扩孔，坯料中间部位都会接触砧具而产生变形，相应中间部分扩孔变形量大，金属流动多，筒型呈现拱形，最终导致长度缩短。实践证明，外径1 200 mm的管坯，壁厚从105 mm扩孔到70 mm时，轴向收缩量约22 mm。而且容易得到一头直径大，另一头直径小的喇叭形锻管。分为三段扩孔则受力相对均匀，尺寸容易控制，两端和中间段的直径相近，轴向长度会增长35 45 mm，三段式扩孔无论是采用“123”还是“132”方式变形，结果都相差不大。要控制每道次的压下量和旋转角度，压下量过大，则轴向窜动就大。推荐的每次压下量10 20 mm，旋转角1015。注意分别测量两端内径，只要三段外圆面母线基本平直，内圆面也基本平直。由于受芯棒弯曲挠度的影响，中间段的壁厚比两端多3 5 mm。4结论对于长筒扩孔，当筒的长度超出上平砧长度的时候，分两段扩孔容易形成一端直径大、另一端直径小的喇叭形长筒，且长度会缩短。采用三阶段扩孔成型，容易控制，轴向长度会相应增长，两端和中间段的直径相近，三段无论是从一端到另一端依次变形，还是先变形两端最后变形中间，结果都相差不大。参考文献1信稳，李学通，杜凤山.大型筒节热成型的热-力-组织耦合分析研究D.秦皇岛：燕山大学，2013.2李承鼎，兰箭.大型件制坯工艺的研究D.武汉：武汉理工大学，2012.3王心鹏，温彤，等.大型筒型锻件芯轴扩孔过程的变形分析J.热加工工艺，2010，39（11）：53-54.4周杰.锻造工艺模拟M.北京：国防工业出版社，2009：41-42.5张志文.锻造工艺学M.北京：机械工业出版社，1983.Research on forming technology of large long barrel forgingCong Zhenyu,Wang Xueqiang,Yuan Shengming,Zhu Yijie,Wang Tongjian(Shandong Nanshan Aluminum Co.,Ltd.,Yantai 265700,China)Abstract:In this paper,based on the in-depth research on the forging and reaming process of 7075 aluminum alloy large-barrel forgings,DEFORM-3D software is used to carry out the finite element analysis and optimization of the multi-stage reaming process ofthe long barrel forgings,and the problem of shortening the reaming length of the horse-bar is solved.The key technologies formedare capable of producing high quality large cylindrical forgings.Key words:large long barrel;free forging;forming method丛镇渔，等：大型长筒锻件成型工艺研究工艺技术越南计划提升铝土矿产量越南工业和贸易部近日表示，政府计划到2030年在北部地区建立三个新铝土矿开采基地，一处位于谅山省，两处位于高平省，届时矿石合计产能将达到155225万吨/年。此外，中部林同省将对现有的矿山中的至少两个进行升级以提高产量。越南政府还将探索在四个中部高地省份每年开采6 80011 220万吨铝土矿的可能性。30