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热锻

热锻是指发生在材料的再结晶温度之上的显著成形工艺。热锻是热成形的典型工艺类型,一般通过TH温度(同系温度)的不同来区分热锻与冷成形。

热锻

热锻

————————————————热锻简介————————————————

热锻——经典的成形工艺

      热锻是指发生在材料的再结晶温度之上的显著成形工艺。热锻是热成形的典型工艺类型,一般通过TH温度(同系温度)的不同来区分热锻与冷成形。

      TH=0.6 x TS (TS是指材料的熔点温度,K氏度)。

      当成形过程中,工件的温度在TH值以上,则该工艺属于热锻。当然,也并不意味着所有的材料都需要加热算是热锻,部分材料的熔点较低,比如铅的重结晶发生在室温下。

      金属金相结构的变化是金属再结晶现象的成因。通过热锻过程中,材料的加工硬化降解、热激活、热交换及材料的再结晶过程,使得热锻具有比较高的成形性。因此,若是需要通过成形的方式实现复杂目标工件的加工,就应选用热锻工艺。此外,热锻还适用于不易进行冷成形的材料。与冷成形相比,由于热锻材料的强度消减,其工作要求低于低于冷成形。

      由于热锻过程中材料发生的再结晶现象生成了粒度相对较小的微观结构,使得加工生产出来的工件表现出高强度与优异的延展性,因此热锻成为生成高应力工件最为重要的工艺之一。对于热锻工艺的描述,接下来将主要侧重于包括压弯、镦粗、热挤压在内的热模锻工艺。

热锻件的主要特点

随着轻量化趋势的发展,在使用有限元方式对热锻工艺进行仿真时,→通过剪断机或其他方式下料(室温或加热);
   →加热至热锻所需温度;
   →物料预分配的预成型;
   →毛坯件的雏形模锻和整形;
   →切边(去除飞边);
   →如需要,可进一步冲孔、校正;
   →冷却;
   →如需要,可进一步热处理,如回火等;
   →终检

带飞边连杆精锻

预成型主要目标是将飞边率降到最低(飞边率的降低不会增加花费,反而会节约材料以降低成本)。使用飞边率计算材料利用率的方式如下:

      材料利用率=(毛坯件重量(不包含飞边))/总重量*100%

      材料利用率一般在60%到85%之间,其详细数值取决于工件的复杂程度和材料的类型。值得一提的是,不能一味的降低飞边率来提高材料利用率,这是由于当飞边率过低时,切边时切削比就会非常小,大大降低了切削过程的可靠性,从而导致工件的返工或报废。

      热锻件在锻造后必须要进行后续的工艺加工才能达到使用需求。其一是因为,热锻工艺必须保留计算锻造的余量。其二是,较高的加工温度会导致锻件表面形成磷化氧化表面。因此高精度的热锻必须要保留一定的加工余量,典型的锻造余量视零件的尺寸而定,一般从零点几毫米到几毫米不等。

      由以上可知,热锻的工艺要求很多,客户对热锻的工艺设计一般可能需要几个月的时间。

——————————————热锻产品及目标行业——————————————

热锻应用领域

      因热锻后工件具有强度高、耐久性优秀的特点,热锻件通常用于对工件质量要求较高的情况。因此不难想象,汽车行业和航空航天行业是热锻件最主要的目标市场。

汽车行业

航空航天

 

 连杆热锻

      钢件的锻造在传统汽车行业中极为常见,但随着汽车轻量化的发展趋势,铝合金热锻也逐渐进入市场,但镁合金较为少见。

下面列举了部分汽车行业内热锻的典型产品:

      发动机部件:活塞、连杆、凸轮、凸轮轴、曲轴、阀门、分配器壳体、平衡轴;

      驱动齿轮:各类小齿轮、同步环、无级变速器等……;

      动力总成:法兰轭架、销架、轮毂、传动轴、万向节、连接盘;

      底盘:轮架、轴颈、枢轴轴承、轴瓦、球头、转向杆、转向杆、前桥梁、Y型叉等等……;

      刹车系统:刹车盘,刹车架,刹车油缸,刹车手柄;


航空涡轮(资料来源:Steve Mann, Fotalia)

锻件在航空航天的应用:

      机身部件,如机舱门、机翼、窗框等配件;

      发动机的涡轮叶片,推进锥,控制盘,控制杆;

      尾翼导轨及其配件;

      起落架:托架,部分紧固件,部分销;

      旋翼系统:系统配件,旋翼轮毂,齿轮箱盖等。

      航空航天领域的热锻件材质通常为镍基和钛合金等耐高温的高强度材料。


其他应用领域
                                     

锻件同时在如下领域展现出其优势:
→建筑行业
→机械行业
→农业
→国防工业
→钢结构
→海洋行业
→医疗行业
→精密工程及制表行

发展趋势

      除了分析工艺可行性之外,还需考虑部分产品的特性。仿真工件从微米级的工件到上吨的锻件不等,这不断增加的垂向仿真深度使得仿真难度不断增加。为得到精确的仿真结果(比如微观组织的精确演变),需要FE软件在拥有更优秀的热物理边界介入调解的动态调整算法。精确的微观组织模型也是获得精确工艺演变过程所必不可少的条件之一。
      真对普通用户而言,复杂模型的建模方式应进一步简化,从而使有限元计算更加经济有效。
      真对以上问题,Simufact与众多协会及项目团队进行了合作,以此来寻求以上问题的解决方式。获取更多信息请参阅“研创中心”。

————————————————典型案例————————————————

材料利用率优化

      锻件材料的输入重量决定了约60%的制造成本。因此,通过Simufact对热锻的材料输入量进行仿真优化有着最大的成本节约潜力。下方为黄铜配件的材料利用率优化案例。

常规工艺(优化前):双件排样


经Simufact仿真优化后:四件排样


仿真过程

温度分布和材料流动仿真

      仿真优化后:减少约20%的飞边,材料利用率提升约100%。值得一提的是,通过仿真优化排样方式后,温度分布不均现象也得到一定改善。

该案例很好的说明Simufact在热锻仿真过程中,如何帮助用户降低了大量成本,成为工艺开发过程中的重要角色。

降低模具成本

      热锻中另一项重要的成本组成是模具成本。模具摩擦所导致的模具破坏会增加大量加工成本。通常情况下,使用Simufact对模具磨损和模具载荷进行预测,可帮助用户对工艺工序的合理性进行判断,以此对模具进行有针对性的修改,从而降低模具成本。

在下列案例中,很好的展示了未经优化的模具由应力集中产生模具破坏后,如何通过Simufact进行模具设计优化,从而降低加工成本。

 

双凸缘模具(修边机)破坏

最大主应力仿真预测

      在该案例中,Simufact的客户通过本软件的仿真预测,非常成功的预测到了热锻过程中,模具的破坏问题,并及时加以优化。这表明:Simufact数值模拟非常适用于模具的初始设计阶段,Simufact能够帮助用户预测到热锻中所产生的问题,并在正式加工前进行循环往复的优化设计。

———————————————锻造误差预测———————————————

      通过Simufact软件,还可对锻造过程中可能发生的填充不良、起皱、折叠等缺陷进行预测。

通过Simufact对具有明显褶皱形成的叉头(球头)进行模拟

      如上图案例所示,若在实际加工前选择Simufact进行仿真预测,就能非常方便的预测到褶皱的产生及演化,从而对模具进行改进,防止产生不必要的损失。

——————————————Simufact热锻解决方案——————————————

Simufact Forming——热锻模块

      通过Simufact对客户热锻件进行全工艺链的仿真,可有效预测锻造过程的问题,并对问题进行及时优化排除。这其中,用户可通过Simufact得到的优势有:

      高效的材料利用和压力机设备选用,可最大限度节约成本;

      将昂贵的模具开发及测试成本转移到Simufact仿真完成;

      降低质保成本;

      减少工艺不良产生的工件报废现象;

      为新模具新零部件的开发提供可视化创造能力。

      Simufact的热锻模块主要用于高于再结晶温度成形的工艺仿真,除热模锻成形仿真之外,模块中还包含了切边、加热、冷却、磨具应力分析等一系列与热锻相关的仿真模块,满足用户提供全方位的仿真需求。

仿真工件与实际对比图

若需要查看热锻具体模块简介,请点击产品——Simufact Forming 热锻