凸缘锻件模具设计及工艺优化

凸缘是指容器开孔处的一种联接件，当需要紧凑连接并保证刚度时，可用短而厚的凸缘来代焊接管。近年来凸缘件使用广泛，具有广阔的市场价值。由于容器凸缘件整体结构较为复杂，纵深较大，壁厚较薄，锻造成形具有很大的困难，易出现充型不满的情况。

对于凸缘等类型的零件，很多学者进行了研究。崔海峰等分析不同凹度下外圈密封圈安装面和沟道的变形，结果表明外圈凸缘安装面凹度有助于改善外圈安装变形。鄢光旭等针对该带增厚凸缘的离合器毂体，进行了增厚凸缘的冲锻(翻孔及镦粗)过程的精度研究。束学道针对焊接易导致零件产生变形降低加工精度的难题，提出了多工步整体热旋成形零件方法，为带凸缘深锥形薄壁回转件的旋压成形提供了理论基础。

本文以容器凸缘件为例，设计锻造凸缘的模具，同时利用 Deform-3D 软件对凸缘件进行了模拟，并对毛坯形状进行了优化。

模具设计

图1 为凸缘件，此种凸缘件纵深较长(98mm)，最薄处6.6mm，成形难度较大。本次采用开式锻造，图2 为设计的模具，周围有一周飞边，主要保证充型的饱满。加工余量为3mm，模锻斜度为7°。

图1 凸缘件

图2 模具型腔图

模拟设置

模具设为刚体，坯料为塑性体，材料为40Cr。由于四面体网格计算比较精确，采用四面体单元对工件进行网格离散划分，网格总数为50000 个。工件与模具之间的传热系数为5N/(s·mm·℃)，摩擦系数为0.3。为方便计算，模拟采用四分之一模型进行，模拟模型如图3 所示。表1 为模拟中采用的工艺参数。

图3 凸缘模拟模型

表1 模拟参数

模拟成形分析

由于凸缘件结构比较复杂，为了获得更好的成形效果，设计了三种不同的坯料尺寸，如表2 所示。

表2 坯料尺寸方案

图4 为方案一 锻造模拟图，坯料锻造过程中，随着上模的不断下行，坯料逐渐成形，整体成形比较平稳，成形后的工件没有大的缺陷，但是飞边比较大，原材料损失较大，不利于实际生产。图5 为成形后的零件的等效塑性应变图，从等效应变的变化可以看出，凸缘件上部和中部的塑性变形是比较大的，而底部则处于小的塑性变形。说明在成形过程中，由于飞边槽阻力过大，导致其周围的金属不易向飞边槽处流动，处于小的塑性变化。相反位于上部和中部的金属在模具的作用下发生大的塑性变形。

图4 方案一锻造模拟图

图5 方案一等效塑性应变图

图6 为方案二的锻造模拟图，方案二的坯料要小于方案一的坯料。从图6 看出，方案二成形后的飞边很小，达到了少或无飞边的效果。此种方案相对于第一方案原材料利用率更高，成形效果平稳，也没有大的缺陷。图7 为方案二的等效塑性应变图，可以看出，塑性变形区分布与第一方案相似，都是在下部处于较小塑性变形，上部和中部处于较大的变形。从图8 锻模与坯料接触图得出，成形后的工件与模具接触良好，成形后的表面形貌接近于设计，因此，方案二的坯料成形效果良好。

图 6 方案二锻造模拟图

图7 方案二等效塑性应变图

图8 锻模与坯料接触图

图9 为方案三的锻造模拟图，从方案三的成形结果可以看出，成形工件存在未充满的部分，成形效果较为良好，飞边较小，整体成形较为平稳。此方案相对于方案二有些许不足。从图10 等效应变图可以发现，塑性变形区分布与第一、二方案相似，都是在下部处于小塑性变形，上部和中部处于较大变形，成形后的接触也较为良好。从三种不同的方案可以看出，方案二成形效果最好，原材料利用率高。

图9 方案三锻造模拟图

图10 方案三等效应变图

结论

⑴对于不同类型大小的坯料，成形后的塑性变形区都是相似的，坯料的形状对塑性变形区的分布影响较小。

⑵坯料尺寸在r=36mm，h=117mm 时成形效果最好。

⑶改变坯料尺寸能有效的改变坯料在成形中的流动，坯料的形状对成形有较大的影响，合理的选用坯料尺寸可以提升成形效果。