折疊缺陷
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-31
折疊缺陷的實例教程
折疊作為體積成形金屬件在成形過程中產生的缺陷，容易成為疲勞的裂紋源或者沖擊斷裂的源頭。因此，在軸套冷擠壓成形時必須預防折疊缺陷的出現。
下面以某一軸套出現的折疊缺陷為例說明此類缺陷的形成以及如何預防
01.軸套原冷擠壓成形工藝
▲ 圖-1 軸套零件圖
該類零件為軸對稱零件（如圖1所示），形狀較為復雜，其內部為一圓柱孔和一半球孔，上端外側為2階凸緣臺階。
▲ 圖-2 軸套實體造型圖
▲ 圖-3 擠壓件圖
由于底部內部圓錐部分，使用切削工藝滿足不了零件形狀尺寸的要求，因此，采用冷擠壓工藝作為其成形工藝，設計的擠壓件圖如圖3所示。
其擠壓工藝為：
■ 步驟一：鐓擠成形內孔及凸緣部分；
■ 步驟二：反擠壓成形內孔；
■ 步驟三：整形凸緣部分和保證零件的其他尺寸。
▲ 圖-4 軸套折疊缺陷
但是在進行產品試模后，檢測產品，發現在完成第三道工序后（即整形），發現產品存在折疊缺陷，如圖4所示。
02.折疊缺陷原因分析
從圖4中觀測，此處折疊是由于2股金屬在此處匯流形成。由于只是對最終產品進行金屬流線分析，無法得到整個成形過程中的金屬流動狀態，于是利用在體積成形領域應用最廣泛的仿真軟件DEFORM進行模擬。
▲ 圖-5 折疊處仿真流速圖
首先確認DEFORM對折疊部位的仿真結果，如圖5所示。
展開 齒輪的成形難點是齒形型腔不能完整充滿，隨著工業和生產技術的不斷發展，一次鍛造工藝已經滿足不了齒輪鍛件對齒形的鍛造要求，所以出現了“一火兩鍛”工藝，預鍛工步能改善金屬在終鍛時的充填性，避免終鍛時鍛件出現折疊、裂紋等缺陷，且有利于提高模具壽命。
本文從終鍛件產生的折疊缺陷出發，通過模擬發現產生缺陷的原因在于預鍛件結構設計不合理。根據模擬分析結果，在預鍛件齒頂處增大過渡斜角，且以大R角連接，可提高鍛件的成形質量，保證使用要求。
三聯齒輪鍛造數值模擬
模擬方案
與傳統鍛造流程相比，采用三維設計軟件和有限元分析軟件結合的方式能夠大大提高成形質量和工作效率。應用三維CAD 繪圖軟件在機械產品設計中不僅能用三維圖形象直觀逼真地表達設計思想，而且能很方便地將創建的三維實體模型用作分析模型。圖1所示零件為重卡汽車使用的三聯齒輪，該零件一般采用熱鍛成形，本研究中考慮其鍛件尺寸較大，一次成形變形抗力太大，很難保證三聯齒輪成形質量和模具壽命，且模具結構優化難度大、成本高，故改用“一火兩鍛”工藝成形。通過有限元軟件模擬鍛件成形過程，發現產生成形缺陷的原因，為了保證鍛件的成形質量，根據分析結果采取增大預鍛件過渡斜角，并以大R 角連接的方案。
圖1 三聯齒輪結構
數值模擬結果與分析
零件在鍛造時，終鍛件（圖2）紅色標記處出現折疊缺陷。按傳統方法經過幾次優化預鍛模具都未能消除缺陷，也未曾找到缺陷出現的根本原因。通過三維設計軟件造型預鍛模具、終鍛模具，并用有限元分析軟件進行成形鍛件模擬分析，發現在模擬終鍛時也出現了和實際鍛造一樣的折疊缺陷。折疊缺陷導致鍛件在終鍛時的充填性變差，而角落填充不足會導致齒輪成形質量不足，過度的成形力又會導致模具損壞。因此急需一種有效的解決方案。
展開 齒輪的成形難點是齒形型腔不能完整充滿，隨著工業和生產技術的不斷發展，一次鍛造工藝已經滿足不了齒輪鍛件對齒形的鍛造要求，所以出現了“一火兩鍛”工藝，預鍛工步能改善金屬在終鍛時的充填性，避免終鍛時鍛件出現折疊、裂紋等缺陷，且有利于提高模具壽命。
本文從終鍛件產生的折疊缺陷出發，通過模擬發現產生缺陷的原因在于預鍛件結構設計不合理。根據模擬分析結果，在預鍛件齒頂處增大過渡斜角，且以大R角連接，可提高鍛件的成形質量，保證使用要求。
三聯齒輪鍛造數值模擬
模擬方案
與傳統鍛造流程相比，采用三維設計軟件和有限元分析軟件結合的方式能夠大大提高成形質量和工作效率。應用三維CAD 繪圖軟件在機械產品設計中不僅能用三維圖形象直觀逼真地表達設計思想，而且能很方便地將創建的三維實體模型用作分析模型。圖1所示零件為重卡汽車使用的三聯齒輪，該零件一般采用熱鍛成形，本研究中考慮其鍛件尺寸較大，一次成形變形抗力太大，很難保證三聯齒輪成形質量和模具壽命，且模具結構優化難度大、成本高，故改用“一火兩鍛”工藝成形。通過有限元軟件模擬鍛件成形過程，發現產生成形缺陷的原因，為了保證鍛件的成形質量，根據分析結果采取增大預鍛件過渡斜角，并以大R 角連接的方案。
圖1 三聯齒輪結構
數值模擬結果與分析
零件在鍛造時，終鍛件（圖2）紅色標記處出現折疊缺陷。按傳統方法經過幾次優化預鍛模具都未能消除缺陷，也未曾找到缺陷出現的根本原因。通過三維設計軟件造型預鍛模具、終鍛模具，并用有限元分析軟件進行成形鍛件模擬分析，發現在模擬終鍛時也出現了和實際鍛造一樣的折疊缺陷。折疊缺陷導致鍛件在終鍛時的充填性變差，而角落填充不足會導致齒輪成形質量不足，過度的成形力又會導致模具損壞。因此急需一種有效的解決方案。
展開 圖7 試驗設備及模具工裝
圖8是經過四道次旋壓最終成形的上下非對稱法蘭多楔輪剖面件，從圖8中可以看出零件整體端面成形質量良好，無明顯毛刺、折疊、飛邊等缺陷，其中上下法蘭均成形飽滿，外緣形狀達到了設計要求。
圖8 多楔輪剖面件
結論
⑴在第一道次旋彎成形過程中，隨著旋彎輪的不斷進給，板坯和旋輪的接觸面積逐漸增加，板坯金屬發生軸向、徑向和周向流動，板坯的直徑逐漸減小，最終形成過渡圓弧的結構，從而實現了旋壓增厚。
⑵為了成形多楔輪的上法蘭，上芯模和板坯之間有一定型腔，在第二道次旋平過程中，板坯上端金屬不僅向上流動填充型腔，而且在旋輪擠壓作用下發生徑向增厚，這兩股不同流向的金屬對流匯合導致內折疊。
⑶通過有限元模擬對前兩道次旋壓成形進行分析，優化旋輪的結構，將旋輪圓弧半徑增大，下端面高度減小，從而減少板坯上端的聚料量，改善板坯下端的過渡形狀，在使板坯上下端金屬的分配更加合理均勻的同時，板坯內壁圓角處的內折疊缺陷徹底消除，并進行試驗得到了合格的樣件。
——本文節選自《鍛造與沖壓》2019年第12期
展開 以鈦合金板坯鍛件為研究對象，改變傳統的鐓粗拔長展寬工藝，采用直接拔長進行展寬，解決傳統鐓粗工序中經常出現坯料腰部折疊缺陷的質量問題，提高鍛造生產效率約22%，提高材料利用率約2%。通過有限元模擬分析成形展寬過程，為實際生產提供理論指導，并通過實際生產驗證整個工藝過程，為研制更高質量、生產效率、材料利用率的成形工藝提供指導。
本文針對某公司鈦合金板坯鍛件，材料為TA2，要求成形尺寸2050+15(寬）×260(高 ）±10×L(隨 長 ）(單 位：mm），原材料鈦錠經過表面加工去除表面缺陷及取樣后，尺寸為φ990mm×2600mm。成形寬度尺寸/原材料截面尺寸≈2.07，超過一倍尺寸。根據傳統經驗公式計算，要保證最終展寬成形尺寸原始坯料截面直徑需≥φ1450mm。
常規成形工藝為鈦錠先鐓粗，保證鐓粗后截面尺寸≥φ1450mm后再進行平砧間拔長展寬。鍛造過程由于TA2的材料特性，容易造成鐓粗過程中表面折疊缺陷，為防止折疊過深，需分多道次進行鐓粗，出現折疊現象后立即進行輕滾圓拔長再進行鐓粗，嚴重影響鍛造效率及鍛造質量。本文采取直接拔長的方式進行展寬，在試驗前通過有限元數值模擬分析軟件對試制方案進行分析，最終通過實際生產驗證工藝方案的可行性。
工藝方案
鍛造工藝路線：芯棒展寬—換專用芯棒繼續展寬—上下平砧成形修整，選用50MN快鍛壓機進行整個鍛造工序。具體過程為：將鈦合金錠平放在大平板上，上端采用φ630mm芯棒分兩次進行壓扁，總壓下量控制在300mm左右，左右移動芯棒進行展寬至坯料高度約為550mm。
為防止芯棒展寬過程中出現板坯料中間尺寸偏大，兩端偏小的情況，特制專用芯棒進行進一步展寬，展寬至寬度約為2000mm，高度約為440mm。
最后采用特制上平砧（700mm砧寬，2300mm砧長）、下平板進行拔長及整形。
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Simufact Forming：
鍛造工藝的“數字實驗室”
海克斯康Simufact Forming鍛造工藝仿真包括鐓粗、模鍛、拉伸、拔長、自由鍛、擠壓、輥鍛、線割、熱處理等工藝，能夠幫助用戶通過仿真的方式實現鍛造成形工藝虛擬試錯，通過對成形過程中材料流動、溫度、應力、應變、折疊缺陷、設備噸位、微觀晶粒等分析，幫助優化鍛造工藝。
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圖：Simufact Forming熱沖切（左）與實際沖切（右）結果對比
通過多次Simufact Forming的仿真測試，進行了多種大膽設計的改進，仿真驗證沒有材料流動、折疊等制造缺陷后，最終確定了成形工藝方案：工件初始尺寸調小、楔橫軋預制坯的楔形做了較大的調整、錘鍛次數為4次錘鍛。通過這樣調整，即保證了成形過程的材料流動，又保證了最后沖裁掉的廢料較少，節省材料達8%。
拔長時壓下間隔時間為5 ～10s，拔長過程中不宜出現折疊缺陷，采用逐步送進的方式進行拔長，不允許在同一位置連續壓扁拔長。鐓粗和拔長的過程中可以翻面交替進行，為避免坯料和模具直接接觸和溫降過快，與油壓機接觸的坯料端面必須墊上石棉，如果石棉破碎或被壓成粉末狀應進行更換。鍛造的過程中如果出現裂紋、折疊等缺陷，應排除缺陷后再加熱進行鍛造，鍛造坯料修傷的寬深比大于10，圓滑過渡。
鍛造產品冷卻后測量外觀無裂紋、折疊等缺陷，外形尺寸合格，滿足機加工圖紙要求。
2.2 新增微小流動折疊缺陷預測
新的因材料表面流動所引起的微小折疊缺陷預測，采用基于表面膨脹、總拉伸應變或向內流動距離算法模型，無需傳統采用微小折疊部位細化大量網格的方法，采用較粗網格即可預測微小折疊位置，大大節省單元規模及計算時間。
圖5 平鍛制坯工藝模擬成形過程步驟圖
平鍛制坯工藝改進
根據上述模擬分析得出第一道頂鐓過程中會出現頂鐓失穩彎曲缺陷，平鍛頂鐓工藝制坯得不到合理的形狀，給后續閉式胎模鍛成形帶來很大的質量隱患，盤面出現環形折疊缺陷，較深的導致鍛件報廢。對平鍛頂鐓工藝制坯進行工藝改進，經過優化的平鍛頂鐓工藝制坯成形工步圖如圖6 所示。
一次擠壓成形力約為400kN，由于一次擠壓減徑量過大，加熱長度較大，鋼管加熱段強度較低，擠壓過程中加熱段出現折疊缺陷，一次加熱擠壓成形方案不可行。
圖4 一次熱擠壓成形工件產生堆疊
分兩次冷擠壓成形模擬
分兩次減徑：第一次減徑至φ110mm，第二次減徑至φ80mm，模具結構如圖5、圖6 所示。
汽車轉向拉桿球接頭總成是汽車轉向拉桿的重要組成部分，而拉桿接頭是其連接和支撐的主體部件，故其是重要的保安件之一，不得有折疊、裂紋等缺陷，保證其內在質量尤為重要。而我們在生產過程中發現接頭鍛件出現裂紋，本文就其發生的前因后果及整改措施做如下介紹。
拉桿接頭產品介紹
⑴產品三維模型如圖1 所示，冷鍛件二維圖紙如圖2 所示。
鍛造折疊缺陷磁痕一般不濃密清晰，但在對表面打磨后，原磁痕處磁痕往往更加清晰。經金相解剖，折疊兩側有脫碳，與表面成一定角度。鍛造折疊磁痕如圖2 所示。
圖2 鍛造折疊磁痕
⑶白點。
