何利東,劉 華

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000)

0 引言

眾所周知，大型鍛件的生產(chǎn)在現(xiàn)代重工業(yè)中占有舉足輕重的地位。鍛造的作用除了獲得所需要的形狀尺寸外，還必須保證鍛件獲得所需要的各種性能。大型鍛件一般以鋼錠為原始坯料，經(jīng)鐓粗、拔長(zhǎng)或鐓粗+拔長(zhǎng)等工序鍛制而成。原始鋼錠越大，其內(nèi)部的冶金缺陷越多，鍛制合格鍛件所需的鍛比也越大。增加鍛比的方法不但受到了水壓機(jī)能力的限制，有時(shí)甚至無法實(shí)現(xiàn)，而且采用大鍛比也很不經(jīng)濟(jì)，即增加了水壓機(jī)臺(tái)時(shí)及加熱火次，造成能源的大量消耗和金屬的燒損。如果在大鍛件鍛造工藝的制定上加以改進(jìn)，在鋼錠尺寸不變的情況下不用鐓粗或者與傳統(tǒng)工藝相比減少鐓粗次數(shù)，將顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣闊。本文采用DEFORM數(shù)字模擬方法，針對(duì)某重型企業(yè)傳統(tǒng)的大鍛件鍛造工藝，對(duì)比研究了鐓粗+拔長(zhǎng)工藝與其改進(jìn)新工藝即縱向錐面砧拔長(zhǎng)工藝，得到的結(jié)果對(duì)目前大鍛件有關(guān)鍛造工藝的合理制定具有一定的參考價(jià)值。

1 大鍛件成形變形工藝的幾何模型及加工條件方案設(shè)計(jì)

1.1 大鍛件成形傳統(tǒng)工藝與縱向錐面砧鍛造改進(jìn)工藝

圖1為大鍛件反復(fù)鐓拔傳統(tǒng)成形工藝，經(jīng)過鐓粗與拔長(zhǎng)工藝獲得足夠的鍛比，以達(dá)到鍛透坯料心部、鍛合孔隙性缺陷的目的，但其缺點(diǎn)是需要較大噸位的設(shè)備，能耗巨大。

圖1 大鍛件成形傳統(tǒng)鐓拔工藝

圖2為大鍛件鍛造縱向錐面砧拔長(zhǎng)改進(jìn)工藝，可實(shí)現(xiàn)坯料橫向的平面變形，而金屬沿縱向變形很小，甚至可認(rèn)為是“零鍛造比”鍛造。

1.2 DEFORM數(shù)值模擬工件幾何模型及工藝路線設(shè)計(jì)

跟蹤研究某重型企業(yè)目前鍛制大型轉(zhuǎn)子鍛件的傳統(tǒng)工藝并考慮減少DEFORM數(shù)值模擬計(jì)算量，設(shè)計(jì)坯料尺寸為1 500 mm×1 500 mm×3 000 mm，材料為30Cr2Ni4MoV，鍛造溫度為1 200 ℃，初始晶粒尺寸為200 μm。

1-上縱向錐面砧；2-下縱向錐面砧

大鍛件鍛造傳統(tǒng)工藝為坯料先沿軸向鐓粗33.3%，再經(jīng)平砧拔長(zhǎng)壓縮2次，拔長(zhǎng)壓縮率為18%，翻轉(zhuǎn)角度為90°；改進(jìn)工藝為采用縱向錐面砧拔長(zhǎng)2次，拔長(zhǎng)壓縮率同樣為18%，翻轉(zhuǎn)角度為90°。

1.3 數(shù)值模擬模具設(shè)計(jì)

模具材料選用AISI-H-13，初始溫度設(shè)為300 ℃。設(shè)計(jì)的縱向錐面砧示意圖如圖3所示。圖3中，錐角α為模擬研究的工藝參數(shù)，由數(shù)值模擬優(yōu)化確定。

圖3 縱向錐面砧設(shè)計(jì)示意圖

1.4 數(shù)值模擬邊界條件

設(shè)剪切摩擦因數(shù)為0.7，上模具運(yùn)動(dòng)速度為100 mm/s，下模具靜止，工件與模具間熱傳導(dǎo)系數(shù)為11 N/s/mm/℃。

圖4為數(shù)值模擬工件經(jīng)縱向錐面砧拔長(zhǎng)壓縮50%后輸出的變形橫截面等效應(yīng)變等值線圖。由4圖看出，工件變形由與上下縱向錐面砧面接觸的兩端開始逐漸向心部擴(kuò)展,大變形區(qū)位于靠近上下砧面的兩端部區(qū)域。為了鍛透坯料心部，每單砧需要較大的壓縮率。

圖4 工件變形壓縮50%橫截面等效應(yīng)變等值線圖

2 基于DEFORM大鍛件變形工藝數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 縱向錐面砧拔長(zhǎng)的變形特點(diǎn)

圖5為工件縱向錐面砧拔長(zhǎng)單砧壓縮率為50%的橫截面靜水壓力分布Solid圖。由圖5看出，坯料心部區(qū)域處于良好的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，而且靜水壓力絕對(duì)值較大，該變形工藝有利于壓合坯料心部孔隙性缺陷。

圖5 工件變形壓縮50%橫截面靜水壓Solid圖

2.2 縱向錐面砧拔長(zhǎng)變形最佳工藝錐角α分析

圖6、圖7為數(shù)值模擬工件經(jīng)縱向錐面砧拔長(zhǎng)壓縮后的等效應(yīng)變平均值及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)平均值與錐面砧錐角的關(guān)系。由圖6、圖7看出，對(duì)同一錐面砧錐角而言，拔長(zhǎng)壓縮率越大，變形越劇烈，鍛造效果愈好；比較不同錐面砧錐角變形效果，顯然，錐面砧工藝錐角在15°左右較好。

圖8為工件變形靜水壓平均值與錐面砧錐角的關(guān)系。由圖8看出，當(dāng)錐面砧錐角為15°左右工件變形應(yīng)力狀態(tài)最好，工件內(nèi)部處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，且絕對(duì)值較大，鍛合空隙性缺陷的效果最好。

圖6 工件變形等效應(yīng)變均值與 圖7 工件變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)均值與 圖8 工件變形靜水壓均值與錐面砧錐角的關(guān)系 錐面砧錐角的關(guān)系 錐面砧錐角的關(guān)系

圖9為工件拔長(zhǎng)變形最大載荷與錐面砧錐角的關(guān)系，顯然，當(dāng)錐面砧工藝錐角大于15°，變形載荷較低，有利于節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖9 變形工件最大載荷與錐面砧錐角的關(guān)系 圖10 兩種工藝變形后工件動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)平均值與壓下率關(guān)系 圖11 兩種工藝變形后工件動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)均勻性系數(shù)與壓下率關(guān)系

2.3 大鍛件傳統(tǒng)鍛造工藝與縱向錐面砧拔長(zhǎng)變形效果對(duì)比分析

圖10、圖11分別為大鍛件傳統(tǒng)鍛造工藝與縱向錐面砧拔長(zhǎng)變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)平均值及其均勻性系數(shù)與變形壓下率的關(guān)系。顯然，縱向錐面砧工藝的鍛造效果在壓下率一定的條件下要好于傳統(tǒng)工藝。

圖12、圖13分別為兩種工藝變形后工件靜水壓平均值及其均勻性系數(shù)與變形壓下率的關(guān)系。可以看出，在相同壓下率條件下，盡管傳統(tǒng)工藝變形后工件的靜水壓狀態(tài)較好，但縱向錐面砧工藝變形后工件的靜水壓分布均勻性卻好于傳統(tǒng)工藝。

圖12 兩種工藝變形后工件靜水壓平均值與壓下率關(guān)系 圖13 兩種工藝變形后工件靜水壓分布均勻性系數(shù)與壓下率關(guān)系 圖14 兩種工藝變形載荷與壓下率關(guān)系

圖14為兩種工藝變形載荷與壓下率關(guān)系。顯而易見，采用縱向錐面砧變形工藝的載荷要明顯低于傳統(tǒng)工藝，這在企業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能降耗方面是有利的。

3 結(jié)論

(1) 采用縱向錐面砧拔長(zhǎng)大型鍛件的工藝使坯料心部處于良好的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，鍛合孔隙性缺陷效果好。

(2) 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，縱向錐面砧工藝錐角采用15°左右變形效果最好。

(3) 在相同條件下，縱向錐面砧拔長(zhǎng)變形鍛造效果不差于傳統(tǒng)鐓拔工藝，但所需變形載荷較低，有利于節(jié)能降耗。