超大高径比棒料平锻成形钢拉杆U型头预制坯工艺分析及模拟

孟致安 鲁素玲 闫华军 韩鹏彪 胡希磊 王同会 王浩

摘 要：为了解决传统U型钢拉杆存在的生产工艺落后、加工周期长、材料利用率低等问题，提出一体式钢拉杆成形工艺。以35型钢拉杆U型头预制坯的成形为研究对象，设计了3道次加热镦粗方法，采用DEFORM-3D有限元软件分析了不同工艺条件下镦粗后温度场、应力场的模拟结果，探讨了成形效果较佳的热成形工艺参数，并通过实验验证成形的可行性。结果表明，各道次较佳的热成形工艺参数如下：第1道次始锻温度为1 150 ℃、冲头速度为20 mm/s，第2道次始锻温度为1 150 ℃、冲头速度为30 mm/s，第3道次始锻温度为1 100 ℃、冲头速度为20 mm/s;在该热成形工艺参数下，各道次的成形力分别为1 520，2 090，5 290 kN，各道次的胀模力分别为5 870，6 710，8 830 kN;镦粗后金属流线分布合理，没有出现交叉、折叠等现象，成形效果较好。采用3道次热镦粗方法制备预制坯，制件内部的等效应力分布都比较均匀，可以形成质量良好的制件，研究结果可为35型钢拉杆U型头预制坯的镦粗聚料工艺设计以及设备选择提供参考。

关键词：塑性加工工艺与设备;大高径比;镦粗聚料;数值模拟;预制坯

中图分类号：TG376.2 文献标识码：A

文章编号：1008-1542（2021）01-0082-09

随着中国经济的飞速发展，钢拉杆在船坞、桥梁、场馆、机场、铁路等[1-4]大型建筑工程中得到广泛应用。钢拉杆按接头形式分为UU型钢拉杆、UO型钢拉杆、OO型钢拉杆。钢拉杆U型接头传统成形方式采用机械加工或铸造，之后再用螺纹连接或焊接的方式将U型头和杆体相连。传统高强度钢拉杆的结构示意图如图1所示。这些传统方法存在加工成形工艺落后、加工周期长、材料利用率低、产品性能较差等缺点[5]，同时U型接头在结构形态上类似于枝杈类零件，但又比普通的枝杈类零件开槽更深，双耳板较薄且成镜面对称，成形难度更大。

基于此背景，钢拉杆的一体式成形工艺应运而生。一体式钢拉杆能够很好地克服传统钢拉杆的缺点，并且可以形成生产线进行连续生产。采用一体式成形工艺所用坯料的直径通常要与杆部直径相同。一体式U型钢拉杆成形工艺中，U型头的成形采用反挤压工艺，工艺所储备的坯料称为预制坯。以35型钢拉杆U型头预制坯为例，按照体积不变原理将其换算成φ35 mm的棒料，棒料尺寸为φ35 mm×817 mm，高径比达到23.3，使预制坯成形成为一种大高径比镦粗成形，这也是一个成形难点问题。

对于大高径比棒料的镦粗工艺，许多学者开展了相关研究。冯文杰等[6]采用缩径-冷镦成形工艺，对大高径比凸台成形进行了探索;梁秀春[7]提出了一种镦粗大高径比锻件方法，可对棒料进行局部头部镦粗;陈卫铭[8]提出了大长径比杆件的平锻成形工艺，采用多道次镦粗方式对棒料进行了局部成形;陈孝学等[9]提出超大高径比棒料连续镦粗的成形工艺，设计带有锥度的可拆卸凸凹模对坯料进行镦粗。

本文基于一体式U型钢拉杆成形工艺，针对35型钢拉杆U型头预制坯，在前人研究的基础上，提出了预制坯成形工艺方案。运用DEFORM-3D数值模拟软件，对坯料采用3道次加热镦粗聚料方式制备35型钢拉杆U型头预制坯的工艺进行了数值模拟，分析了温度场、应力场、载荷以及金属流线分布情况，以期为35型钢拉杆U型头预制坯的镦粗聚料工艺设计以及设备选择提供参考[10]。

1 零件工艺分析

35型钢拉杆U型接头预制坯所用材料为35CrMo钢，杆体直径φ35 mm，需要制备的预制坯如图2所示。根据体积不变原理计算出所需坯料的尺寸为φ35 mm×817 mm，如图3所示，其高径比为23.3，需要进行多次镦粗成形。根据顶镦第二规则[11]分析计算成形道次。顶镦第二规则指的是坯料在凹模中聚料时，

当D凹=1.5D0时，伸到模具外面的棒料长度A≤D0，或者D凹=1.25D0，A≤1.25D0，如图4所示，其中A为伸出模具的長度，D凹为凹模的直径[11]。通常情况下，当l0/D0<10时，D凹=1.5D0;l0/D0>10时，D凹=1.25D0[11]。经计算，对各道次相关数据进行了汇总，见表1。

需要说明的是：按照顶镦第二规则，第3道次坯料尺寸是从φ55 mm×331 mm到φ82.5 mm×145 mm。但实际预制坯外形如图2所示，其为非等直径圆柱体，从宽厚比及最大宽度与根据顶镦第二规则计算出的第3道次φ82.5mm进行分析，根据有限元成形性模拟及实验结果可知，此道次可以实现成形。

为了后续模拟方便，在原坯料的基础上延长40 mm，延长的部分作为定位端，该定位端不参与变形，起到定位的作用，同时也可以将这部分视为钢拉杆的杆体部分。预制坯生产工艺流程如下：下料→加热→第1道次镦粗聚料→加热→第2道次镦粗聚料→加热→第3道次镦粗聚料→预制坯。

2 有限元模型的建立及模拟参数的设置

2.1 有限元模型的建立

采用3道次加热镦粗聚料方式制备预制坯，为了尽可能模拟实际成形过程，将凹模设计成2个半模，并在凹模底端增加了一个垫板，防止坯料发生窜动，各道次的模具及坯料的有限元几何模型如图5所示。

2.2 模拟参数的设置

为了验证预制坯成形的可行性，根据工艺实验条件，将坯料材料设置为35CrMo钢，定义为塑性体，采用相对网格划分方式将坯料划分为32 000个单元，由于DEFORM-3D软件自带的材料库中没有35CrMo钢材料，因此需要将35CrMo的材料模型（本构方程）导入DEFORM软件中[12]。上模和下模设置为材料库中的AISI-H-13，定义为刚性体[13]。将坯料的始锻温度分别设置为1 050，1 100，1 150 ℃，定位端不参与变形，温度设置为20 ℃，将冲头速度分别设置为10，20，30 mm/s进行模拟。镦粗前需要对模具进行预热，模具温度设置为250 ℃，垫板温度设置为20 ℃。坯料与模具的摩擦方式定义为剪切摩擦，摩擦系数为0.3。考虑到坯料和模具中存在传热现象，设置坯料与模具间的热交换系数为11 N/（mm·s·℃）[14]。

3 数值模拟结果及分析

3.1 温度场分析

对于通过加热镦粗成形的零件来说，合适的温度和冲头速度有利于成形的顺利进行。在不同工艺条件下镦粗后制件的温度最大值如图6所示。由图6可以看出：在一些工艺条件下，镦粗后制件的温度最大值会升高，这是因为在坯料镦粗聚料过程中，坯料存在比较强烈的塑性变形且变形时间较短，产生大量变形热，而且坯料会和模具发生摩擦，使坯料的温度升高[15];还可以看出温度最大值的变化情况，在同一始锻温度下，随着冲头速度的增加，第1道次温度最大值上升最快，第3道次次之，第2道次最慢，其中第1道次变形量最大，与其他道次相比用时最长，热量散失较多。因此，当冲头速度增加时，镦粗所用时间减少，散失热量减少，制件温度升高。

通过对不同工艺条件下的温度场进行观察，发现温度场模拟结果大致相同，以始锻温度为1 150 ℃、冲头速度为20 mm/s温度场为例进行展示，如图7所示。从图7观察到制件内部温度的分布情况，第1道次镦粗结束后，制件内部温度由上而下逐渐升高，最高温度出现在制件的靠下部分。这是由于在变形过程中坯料上端首先完成变形，坯料与模具接触，坯料和模具存在温度差，发生了热传递，传递走了一部分热量，使温度降低，而坯料下端成形后与模具接触时间短，传递走的热量少，温度降低不明显。在第2、第3道次镦粗结束后，制件内部温度分布均匀，与模具接触的部分温度降低。这是由于坯料和模具存在温度差，发生了热传递，使温度降低。通过对温度场的分析，了解到温度的变化情况，可以为实际生产提供参考。

3.2 应力场分析

在不同工艺条件下，坯料镦粗聚料时的应力是不同的。图8是不同工艺条件下制件的最大等效应力情况。由图8可以看出：第1道次的最大等效应力值保持在550 MPa左右;第2道次最大等效应力值变化幅度较大，最小值为766 MPa，最大值为1 250 MPa;第3道次最大等效应力值在同一始锻温度下，随着冲头速度的增加而升高，最大等效应力值为1 390 MPa。通过对不同工艺条件下的应力场进行观察，发现应力场模拟结果大致相同，以始锻温度为1 150 ℃、冲头速度为30 mm/s条件下每道次镦粗结束时等效应力场分布情况进行说明，如图9所示。结合图8和图9可以看出，制件上最大等效应力出现在定位端，镦粗后制件内部的等效应力分布都比较均匀。分析最大等效应力出现的原因是坯料将型腔填满后，制件底部仍受到冲头带来的挤压力，使得定位端等效应力增大。从整体来看，每道次镦粗后的等效应力分布比较均匀，可以制备出质量良好的制件。

3.3 载荷分析

成形力是选择成形设备的主要考虑依据，对不同工艺条件下的成形载荷进行了分析。图10是在不同工艺条件下每道次镦粗时冲头的最大载荷情况。由图10可以看出，在每道次镦粗时冲头的最大载荷在不同工艺条件下不同，选择冲头载荷最小时的工艺条件作为各道次较佳的热成形工艺参数。由图10还可知，在始锻温度为1 150 ℃、冲头速度为20 mm/s工艺条件下，第1道次冲头载荷最小，为1 520 kN，故选择该工艺参数作为第1道次的热成形工艺参数。由图10 b）和图10 c）可以看出，第2道次镦粗时冲头的最大载荷随冲头速度的增加而下降。在图10 a）中最大载荷值在冲头速度为20 mm/s时最大，为2 990 kN，分析其原因是当挤压速度超过某一数值时，镦粗产生的加工硬化大于软化作用，材料变形困难，载荷增大[16]，在1 150 ℃、30 mm/s条件下载荷最大值仅为2 090 kN，故选择该工艺条件作为第2道次的热成形工艺参数。由图10还可知，在不同始锻温度下，第3道次镦粗时冲头的最大载荷随着冲头速度的增加而下降，在1 100 ℃、20 mm/s下最大载荷值最小，为5 290 kN，故选择该工艺条件作为第3道次的热成形工艺参数。对比不同工艺条件下的载荷，得到了较佳的热成形工艺参数：第1道次始锻温度为1 150 ℃、冲头速度为20 mm/s，第2道次始锻温度为1 150 ℃、冲头速度为30 mm/s，第3道次始锻温度为1 100 ℃、冲头速度为20 mm/s。图11是在较佳热成形工艺参数下各道次冲头的载荷情况，通过观察发现，随着冲头向下运动，载荷逐渐增大，呈现上升的趋势，在结束时达到最大值。通过对各道次镦粗时的载荷情况进行分析，可以为各道次成形设备的选择提供参考。

3.4 胀模力分析

在坯料镦粗聚料过程中，坯料发生塑性变形时会对凹模型腔产生一定的胀模力。在镦粗开始时，坯料和凹模型腔接触少，随着坯料的变形，与凹模型腔的接触面积逐渐增大，胀模力也随之增大，在变形的最后阶段胀模力达到最大[17]。为了避免出现胀模现象，需要合模力大于胀模力，若合模力小于胀模力，则会出现胀模，且镦粗后的制件会带有飞边，影响制件质量。图12是在较佳的热成形工艺参数下各道次凹模受到的胀模力，凹模结构为2个可分开的半模，2个半模受到的胀模力大小及变化趋势基本一致，以其中一个半模受到的胀膜力为例进行分析。由图12可以看出，各道次凹模受到的最大胀模力分别为15 800，11 300，11 500 kN。由最大胀模力数据可知，最大胀模力过大，对成形设备要求高，因此提出如下解决方法：坯料在凹模中处于即将填充满的状态时镦粗结束，可以大大减小凹模受到的胀模力，同时确保不影响后续工序。图13是采用该方法模拟得到的各道次凹模受到的胀模力曲线图，可以得到各道次凹模受到的最大胀模力分别为5 870，6 710，8 830 kN，胀模力大大减小，更便于选择每道次所用的成形设备。

3.5 金属流线分析

将加热后的金属材料进行镦粗或挤压时，金属材料会存在塑性流动，金属材料内部的组织会呈现方向性，称之为金属流线[18]。通过观察金属流线的情况，对采用3道次加热镦粗聚料方式制备预制坯的成形性进行了分析。图14是在较佳的热成形工艺参数条件下，各道次镦粗前后金属流线的分布情况。为了使镦粗件具有良好的力學性能，应保证金属流线分布合理，无交叉、断裂、急剧弯折等情况[19-21]。图14 a）和图14 b）为第1道次、第2道次镦粗前后的金属流线分布情况。通过观察可以看到，当镦粗完成后，变形部分的金属流线没有出现交叉、断裂等情况。由图14 c）可以看出，在第3道次镦粗聚料结束后，坯料的金属流线发生了弯曲，但并未出现交叉、断裂等缺陷。总体来看，各道次镦粗聚料后金属流线分布合理，满足了镦粗件良好的力学性能要求。

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