Investigation on the effect of non-uniform flash land on material redistribution in closed die forging with flash

Abstract

The objective of this study is to investigate the impact of non-uniform flash land on material redistribution during closed-die forging with flash, focusing on how the use of non-uniform flash land can increase the fullering coefficient and thereby reduce the number of forging steps required. The methodology combines theoretical analysis with finite element methods, varying the geometries of both the flash land and the billet, and comparing the results obtained from these different configurations. A comparison of forming results across four different billet specifications reveals that as the initial billet cross-section increases, the material transfer rate decreases. This is primarily due to the increased material volume in the region, which reduces material transfer and enhances cavity filling rate. However, increasing the billet cross-section also leads to a decrease in the fullering coefficient and an increase in the number of forging steps required. The study also shows that non-uniform flash land, especially non-uniform flash land 3, significantly improve the fullering coefficient, reaching 1.56, an 11.4% improvement over the traditional flash land coefficient of 1.4. This enhancement reduces the number of forging steps and improves the cavity filling rate. The forming load is positively correlated with the fullering coefficient, and under identical conditions, non-uniform flash land result in a forming load that is approximately 7.6% lower than that of traditional flash land. This reduction in forming load contributes to lower energy consumption and greater process efficiency. Moreover, non-uniform flash land demonstrate a distinct advantage in axial material redistribution and cavity filling. The enhanced axial material redistribution associated with non-uniform flash land promotes more uniform cavity filling, significantly reducing the occurrence of incomplete filling, especially when the fullering coefficient exceeds 1.4. This highlights the ability of non-uniform flash land to improve the quality of forged parts by minimizing the need for excessive forging steps while optimizing material usage. In conclusion, the findings emphasize the effectiveness of non-uniform flash land in optimizing axial material redistribution, improving cavity filling rate, and increasing the overall efficiency of closed-die forging processes. These benefits contribute to the production of higher-quality forged parts, with reduced energy consumption and fewer forging steps.

Метою цього дослідження є вивчення впливу нерівномірних облойних містків на перерозподіл матеріалу під час штампування у відкритих штампах з облоєм, з акцентом на те, як використання нерівномірних облойних містків може збільшити коефіцієнт попереднього розплющення та, відповідно, зменшити кількість необхідних етапів штампування. Методологія поєднує теоретичний аналіз з методом кінцевих елементів, варіюючи геометрію як облойного містка, так і заготованки, і порівнює результати, отримані за різних конфігурацій. Порівняння результатів формоутворення для чотирьох різних специфікацій заготованок показує, що зі збільшенням початкового поперечного перерізу заготованки швидкість перенесення матеріалу зменшується. Це зумовлено збільшенням об’єму матеріалу в області, що знижує перерозподіл матеріалу та покращує заповнення порожнини. Однак зі збільшенням поперечного перерізу заготованки коефіцієнт попереднього розплющення зменшується, а кількість необхідних етапів штампування зростає. Дослідження також показує, що нерівномірні облойні містки, особливо нерівномірний облойний місток №3, значно покращують коефіцієнт попереднього розплющення, досягаючи значення 1,56, що на 11,4% більше, ніж традиційний коефіцієнт облоя 1,4. Це покращення зменшує кількість етапів штампування та підвищує швидкість заповнення рівчака. Формувальне навантаження позитивно корелює з коефіцієнтом попереднього розплющення, і за однакових умов нерівномірний облойний місток забезпечує формувальне навантаження приблизно на 7,6% нижче, ніж традиційний облойний місток. Це зниження навантаження сприяє зменшенню енергоспоживання та підвищенню ефективності процесу. Крім того, нерівномірні облойні містки демонструють явну перевагу у осьовому перерозподілі матеріалу та заповненні рівчака. Покращений осьовий перерозподіл матеріалу, пов'язаний із нерівномірними облойними містками, сприяє більш рівномірному заповненню рівчаків, значно зменшуючи ймовірність недозаповнення, особливо коли коефіцієнт попереднього розплющення перевищує 1,4. Це підкреслює здатність нерівномірних облойних містків покращувати якість штампованих деталей, мінімізуючи потребу в надмірній кількості етапів штампування та оптимізуючи використання матеріалу. Таким чином, результати дослідження підкреслюють ефективність використання нерівномірних облойних містків для оптимізації осьового перерозподілу матеріалу, покращення швидкості заповнення рівчаків і підвищення загальної ефективності процесів штампування у відкритих штампах. Ці переваги сприяють виготовленню більш якісних штампованих деталей, зменшенню енергоспоживання та скороченню кількості етапів штампування.