張清華 劉鑫剛 祁榮勝 金 淼 郭寶峰

(1.中國第二重型機械集團公司，四川618013；2.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，河北066004)

800 MN模鍛液壓機主要用于生產(chǎn)大型鋁合金、鎂合金、鈦合金等模鍛件，是發(fā)展我國大飛機項目必備的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備的建設(shè)對于改變我國大型模鍛件長期依賴進口的局面有重大戰(zhàn)略意義。800 MN模鍛液壓機主缸采用鍛焊結(jié)構(gòu)，其缸底部分的鍛件直徑為3 100 mm、高度1 700 mm，屬于大型餅形鍛件。該鍛件鍛造成形的技術(shù)難度較大，主要表現(xiàn)為兩個方面：一是鋼錠中的孔洞在成形過程中消除困難，探傷檢測不易通過；二是鍛件幾何尺寸較大，已經(jīng)涉及到二重現(xiàn)有鍛造能力的極限。因此，需要對缸底的鍛造過程進行分析和研究，為制定成形工藝提供技術(shù)支持。

關(guān)于孔洞閉合的理論問題，國內(nèi)已有大量的研究成果[1～5]。早期，清華大學(xué)的王祖唐教授采用剛-粘塑性有限元法模擬了大型鋼錠的拔長過程，研究了孔洞鍛合過程的主要影響因素[1]。近幾年，上海交通大學(xué)的崔振山教授基于MARC軟件研究了圓柱體內(nèi)部孔洞熱鍛閉合過程，提出了高溫變形是改善含有孔洞材料性能的必要條件[2]；北京科技大學(xué)的韓靜濤教授研究開發(fā)了耦合熱及細觀損傷分析的剛粘塑性有限元分析軟件RVTDA，并將其用于餅類鍛件鐓粗過程中應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等的分析[3]。但是，考慮到800 MN模鍛液壓機缸底鍛件的重要性，課題組依然認為有必要對其孔洞在鍛造過程中的閉合問題，利用有限元數(shù)值模擬方法做些具體分析。

本文針對800 MN模鍛液壓機主缸缸底這一具體產(chǎn)品，利用數(shù)值模擬技術(shù)，著重研究了鐓粗過程中平面砧、球面砧、錐形砧等不同砧型對鍛件內(nèi)部等效應(yīng)變、靜水應(yīng)力和鐓粗工藝力的影響，并分析了孔洞的變化規(guī)律。

1 砧型對鍛件應(yīng)力應(yīng)變場的影響

1.1 有限元模型

大型餅形鍛件鍛造時，一般需采用多次鐓粗、拔長的工藝，以消除孔隙性缺陷。800 MN模鍛液壓機主缸缸底鍛件的最后一道鐓粗工藝是多次鐓粗、拔長工序中很重要的一個環(huán)節(jié)。其鐓粗前的坯料尺寸為?2 150 mm×4 150 mm，鐓粗后鍛件高度為2 300 mm，變形量為44.58%。

有限元分析時將鍛件視為變形體，砧子為剛體。砧型為平面砧、球面砧和錐形砧三種，其中球面砧內(nèi)球面半徑為7 000 mm，錐形砧外球面半徑為7 000 mm。

考慮到坯料幾何形狀及載荷的對稱性，取坯料的1/4進行建模，導(dǎo)入DEFORM-3D后用四面體單元進行網(wǎng)格劃分，圖1為坯料的有限元模型。單元數(shù)為35 758，節(jié)點數(shù)為8 133，節(jié)點溫度設(shè)為1 200℃，模擬時不考慮溫度場的變化，摩擦系數(shù)f設(shè)為0.7。

1.2 砧型對鐓粗力的影響

在壓下速度為5 mm/s的情況下，得到了不同砧型與鐓粗力之間的關(guān)系，見表1。

由表1可知，鐓粗過程中壓下量相同時，球面砧所需壓機提供的成形力最大，其次為平面砧，錐形砧所需成形力最小，且球面砧的成形力在鐓粗成形后期有快速增大的現(xiàn)象。球面砧與其他兩種砧型的成形力差值均隨變形量的增加而增大，且相對于球面砧型，平面砧和錐形砧最大鐓粗力分別約為72.36%和60.98%。完成整個鐓粗工藝時，球面砧所需成形力小于100 MN，以二重現(xiàn)有水壓機設(shè)備能力，可以滿足不同砧型所需的成形力。

圖1 坯料的有限元模型Figure 1 The finite element model of the blank

表1 不同變形量時的鐓粗力(MN)Table 1 The forming force when different deformation(MN)

1.3 砧型對等效應(yīng)變的影響

鐓粗時鍛件存在三個變形區(qū)，即位于坯料與砧板接觸區(qū)域的難變形區(qū)、位于坯料心部區(qū)域的大變形區(qū)和位于坯料中部外側(cè)的小變形區(qū)。

鐓粗工藝的總壓下量為1 850 mm，變形量為44.58%。圖2是變形量分別為24.10%、33.73%、44.58%時，不同砧型鐓粗坯料得到的等效應(yīng)變圖，對應(yīng)的壓下量分別是1 000 mm、1 400 mm和1 850 mm。

由圖可見，相同的變形量下，球面砧鐓粗時坯料獲得的變形較為均勻，且心部等效應(yīng)變最大，錐形砧鐓粗次之。在最大變形量時，球面砧、錐形砧和平面砧鍛件心部的等效應(yīng)變分別為1.200、0.952和0.715。錐形砧鐓粗時，若變形量較小，則會在坯料軸線上出現(xiàn)兩個等效應(yīng)變較大的區(qū)域，而且隨著變形量增加，這兩個區(qū)域才逐漸靠近，并最終合并為一個區(qū)域。變形量相同時，平面砧鐓粗的難變形區(qū)較大，球面砧次之，錐形砧最小。

1.4 砧型對靜水應(yīng)力的影響

圖3是變形量分別為24.10%、33.73%、44.58%時，鍛件內(nèi)部的靜水應(yīng)力圖。由圖可見，砧型對靜水應(yīng)力分布形態(tài)影響較小，各砧型鐓粗后坯料截面中央均有"X"形狀分布的高等值靜水應(yīng)力帶，截面的其它區(qū)域的靜水應(yīng)力值均較小。球面砧鐓粗時，若變形量較小，坯料小變形區(qū)的外端受壓應(yīng)力，隨著變形量增加，該區(qū)域逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，其最大靜水應(yīng)力值為15.0 MPa。而三種砧型鐓粗的心部始終為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，平面砧、球面砧、錐形砧鐓粗坯料的心部最大靜水應(yīng)力分別為-42.1 MPa、-44.2 MPa、-30.4 MPa。

綜合鍛件心部的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果可以看出，采用球面砧鐓粗時，在鍛件心部可獲得較另外兩種砧型更高的等效應(yīng)變和靜水應(yīng)力。這現(xiàn)象說明，球面砧型較另外兩種砧型更有利于心部缺陷的改善。盡管與球面砧型對應(yīng)的鐓粗力卻大于另外兩種情況，但也沒有超出二重的現(xiàn)有鍛造能力。

圖2 不同砧型鐓粗的等效應(yīng)變Figure 2 The equivalent strain when upsetting with different anvils

2 砧型對孔洞閉合的影響

為了模擬鍛件心部孔洞型缺陷的鍛合過程，在?2 150 mm×4 150 mm的坯料心部開一直徑為10 mm的球形孔洞，取坯料的1/4進行建模，并在UG中用四面體單元對坯料進行網(wǎng)格劃分，最后導(dǎo)入MARC。其有限元模型如圖4所示，單元數(shù)為30 725，節(jié)點數(shù)為7 580，節(jié)點溫度設(shè)為1 200℃，摩擦系數(shù)f設(shè)為0.7。

圖5是孔洞閉合過程示意圖。鐓粗過程中，球形孔洞的截面形狀由圓形逐漸變?yōu)闄E圓形，直至閉合。設(shè)變形前空洞的直徑為d，隨著變形量的增加，孔洞沿壓下方向的最大距離c(橢圓的短軸)逐漸減小。

圖6為不同砧型鐓粗時，孔洞短軸c隨變形量S的變化曲線。圖7為不同砧型鐓粗時，孔洞體積V隨變形量S的變化曲線。

由圖6可見，三種砧型鐓粗的孔洞短軸c隨變形量S的增加而減小；平面砧、球面砧在相同壓下量所得到的c值基本相等，而錐形砧得到的c值較大；球面砧、平面砧和錐形砧鐓粗后的孔洞短軸c變化量分別為63.3%、62.9%、60.1%。由圖7可知，三種砧型鐓粗的孔洞體積V隨變形量S的增加而減??；在變形過程中，平面砧鐓粗的孔洞體積變化和球面砧的大致相同，但兩者都小于錐形砧鐓粗的孔洞體積；平面砧、球面砧和錐形砧鐓粗后的孔洞體積變化量分別為77.56%、77.37%、74.62%。也就是說，針對本文研究的鐓粗變形過程，平面砧和球面砧更有利于孔洞的閉合。

圖3 不同砧型鐓粗的靜水應(yīng)力/MPaFigure 3 The hydrostatic stress when upsetting with different anvils

圖4 設(shè)有孔洞的有限元模型Figure 4 The finite element model of blank with the voids

圖5 孔洞閉合過程示意圖Figure 5 The diagrammatic sketch for process of voids closure

圖6 三種砧型鐓粗時孔洞短軸隨S的變化Figure 6 The changes of voids short axis with S during upsetting with three anvils

圖7 三種砧型鐓粗時孔洞體積隨S的變化Figure 7 The changes of voids volume with S during upsetting with three anvils

3 結(jié)論

在800 MN模鍛液壓機主缸缸底鍛件的最后一次鐓粗過程中采用球面砧，雖然需要較大的設(shè)備能力，但其最大鐓粗力未超出工廠現(xiàn)有能力，且球面砧更有利于提高鍛件的心部質(zhì)量。

在相同變形條件下，采用球面砧可以在鍛件心部獲得更大的等效應(yīng)變和更高的靜水應(yīng)力。鍛造終了時，其心部等效應(yīng)變?yōu)?.2，分別較采用平面砧和錐形砧時的心部等效應(yīng)變值大68%和26%；其心部靜水應(yīng)力約為44.2 MPa，分別較采用平面砧和錐形砧時的數(shù)值高5%和45%。

雖然在相同鍛比情況下球面砧和平面砧具有十分相近的孔洞閉合能力，但是與錐面砧相比，孔洞的體積變化率提高約4%，孔洞短軸的變化率提高約5%。

[1] 王祖唐，劉莊，任猛.大鋼錠內(nèi)部空洞鍛合過程的數(shù)值模擬[J].機械工程學(xué)報.1989，25(3)：51-55.

[2] 崔振山，徐秉業(yè)，任廣杰，等.圓柱體內(nèi)部空洞熱鍛閉合過程的數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報. 2002，9(1)：49-52.

[3] 韓靜濤，薛永棟，劉均賢.大型餅類鍛件鐓粗過程的有限元模擬[J].大型鑄鍛件.2007，117(3)：1-7.

[4] 陳琨，楊戈濤，邵光杰.鋼錠內(nèi)部孔隙性缺陷鍛合過程的數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報.2010，17(1)：6-10.

[5] 張永軍，韓靜濤，劉靖，等.45鋼內(nèi)部裂紋愈合過程孔洞閉合的數(shù)值模擬[J].材料熱處理技術(shù).2008，37(10)：80-83.