模具結(jié)構(gòu)及參數(shù)對厚餅類鍛件內(nèi)部質(zhì)量影響

門正興 孫 嫘 孫燕飛 李 其

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

厚餅類鍛件在大型鍛件總量中占有很大的比例，但該類產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量極不穩(wěn)定，廢品率高，產(chǎn)品主要質(zhì)量問題是在超聲波探傷時(shí)存在大面積密集性缺陷[1]，給企業(yè)和社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失及能源消耗。以大型管板為例，密集性缺陷位置通常在鍛件高度方向的中部，直徑方向2/ 3環(huán)形區(qū)域內(nèi)。產(chǎn)生密集性缺陷的主要原因被分為兩種：1)鋼錠中疏松、夾雜物以及內(nèi)部裂紋等缺陷，經(jīng)過鍛造過程后仍未被焊合或彌散，而是聚集在一起形成更大的缺陷；2)RST效應(yīng)(Rigid Slide Tearing Effect，剛性滑動撕裂效應(yīng))，鍛件上下兩個剛性區(qū)相遇，在繼續(xù)成形過程中，金屬的剛性滑動變形導(dǎo)致金屬撕裂，形成裂紋。

鐓粗是厚餅類大型鍛件的主要成形方式，劉助柏教授提出的錐形板鐓粗新工藝[2]由于工具簡單、對厚餅類大型鍛件質(zhì)量有大幅提高而被廣泛應(yīng)用，但目前錐板鐓粗工藝對金屬內(nèi)部流動規(guī)律及錐板參數(shù)對成形效果的影響研究較少。

1 有限元分析

對直徑2 200 mm，高度2 600 mm坯料分別進(jìn)行平板鐓粗和錐板鐓粗+展平工藝數(shù)值模擬，零件最終高度設(shè)定為1 400 mm。由于鐓粗過程為軸對稱變形，因此采用2D模擬分析。由于采用軸對稱模擬，所模擬的展平的過程為整個鍛件同時(shí)展平，而不是實(shí)際生產(chǎn)中的旋轉(zhuǎn)展平。為了對平板鐓粗和錐板鐓粗+展平成形方式鍛件的內(nèi)部金屬流動、應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行精確比對，在鍛件右上部1/4面積內(nèi)平均分布66個跟蹤點(diǎn)，如圖1所示，點(diǎn)1、12、23、34、45、56位于鍛件軸線上。模擬采用錐板與平面夾角α為15°，錐頂平臺h長500 mm。為了便于進(jìn)行對比，采用上下砧板反向等速運(yùn)動進(jìn)行模擬，從而使鍛件的中心點(diǎn)相對固定。

2 結(jié)果分析

2.1 節(jié)點(diǎn)位移分析

圖2為兩種成形方式得到的鍛件流線及節(jié)點(diǎn)分布。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，平板鐓粗和錐板鐓粗+展平成形的鍛件流線基本一致。平板鐓粗過程中，鍛件中心區(qū)域徑向位移較大，最終形成鼓形；而錐板鐓粗+展平成形方式，變形比較均勻，鼓形較小。對比兩種成形方式結(jié)束后的節(jié)點(diǎn)相對位置可以發(fā)現(xiàn)，兩種變形方式對節(jié)點(diǎn)在鍛件內(nèi)的最終位置影響不大。

節(jié)點(diǎn)在鍛件內(nèi)的最終位置相似不能說明節(jié)點(diǎn)在鍛造過程中運(yùn)動軌跡是相似的，圖3為點(diǎn)23～33 ，即高度方向距零件中心260 mm，軸向間隔110 mm 的11個點(diǎn)在不同鐓粗過程中的運(yùn)動軌跡。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，對于零件中心區(qū)域附近(點(diǎn)23～點(diǎn)27)，采用平板鐓粗和錐板鐓粗+展平方式節(jié)點(diǎn)移動的趨勢基本一致，采用平板鐓粗方式節(jié)點(diǎn)位移明顯較大；在遠(yuǎn)離零件中心區(qū)域附近(點(diǎn)28～點(diǎn)33)，采用錐板鐓粗+展平方式成形的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行軌跡有明顯的拐點(diǎn)，從拐點(diǎn)以后為展平過程節(jié)點(diǎn)的移動軌跡。因此可以確定，展平過程對遠(yuǎn)離零件中心區(qū)域節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動影響比較明顯。

2.2 等效應(yīng)變分析

圖4為變形結(jié)束后，不同鐓粗方式下各節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變的對比。由圖可知，除了零件中心區(qū)域(點(diǎn)1～4，點(diǎn)12～16)及零件與模具接觸的中心區(qū)域(點(diǎn)56、67、68)以外，采用錐板鐓粗+展平成形方式節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變大幅增加，由此可以判斷錐板鐓粗+展平成形方式有效的增加了零件內(nèi)金屬的塑性變形，這對于缺陷彌散及裂紋愈合是非常有益的。結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)，盡管采用平板鐓粗成形方式節(jié)點(diǎn)位移較大，但等效應(yīng)變卻小于錐板鐓粗+展平成形方式，這是因?yàn)槠桨彗叴值墓?jié)點(diǎn)位移中剛性位移較大，不能對金屬內(nèi)部質(zhì)量起到改善作用，相反可能出現(xiàn)RST效應(yīng)，使鍛件內(nèi)產(chǎn)生新的裂紋。

a)平板鐓粗 b)錐板鐓粗圖1 鐓粗模擬過程有限元模型Figure 1 Finite element model of upsetting simulation

圖2 不同鐓粗方式對鍛件流線及節(jié)點(diǎn)位置的影響Figure 2 Effects of different upsetting methods on stream line and node position of forging

圖3 不同鐓粗方法下變形軌跡描述圖Figure 3 The graphs of deformation tracks under different upsetting methods

圖4 變形后不同鐓粗方法對各節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變的影響Figure 4 Effects of different upsetting methods after deformation on equivalent strain of various nodes

圖5 不同變形過程等效應(yīng)變云圖Figure 5 The nephogram of equivalent strain under different deformation processes

從不同變形過程等效應(yīng)變云圖(圖5)可以更加直觀的發(fā)現(xiàn)，對比平板鐓粗，采用錐板鐓粗+展平有以下特點(diǎn)：1)鍛件與模具接觸的剛性區(qū)大幅減少，鍛件中心部分塑性變形區(qū)增大；2)鍛件靠近外部的區(qū)域變形更加均勻，等效應(yīng)變大于平板鐓粗過程，因此鍛件外表面開裂傾向減小。通過測量，采用錐板鐓粗+展平方式成形得到的鍛件與模具接觸的剛性區(qū)長度為500 mm左右，與錐頂平臺長度一致，因此錐頂平臺長度h對鍛件的成形有著重要的影響。

2.3 錐板鐓粗參數(shù)影響分析

分別對錐板與平面夾角α為0°、15°、20°、25°、30°進(jìn)行數(shù)值模擬，采用66個節(jié)點(diǎn)平均等效應(yīng)變評判夾角α對鐓粗變形的影響，如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著夾角的增大，各點(diǎn)平均等效應(yīng)變增大。增大夾角α對鍛件的成形并不完全有利，如圖6為夾角α為30°情況下的模擬結(jié)果。隨著夾角α的增大，鍛件雙鼓形越來越明顯，使得鍛件在實(shí)際生產(chǎn)中需要采用滾圓工序?qū)ν鈭A進(jìn)行修正；同時(shí)，隨著夾角α的增大，在展平過程中鍛件局部會出現(xiàn)凹坑(圖7)，α為30°時(shí)凹坑高度為11.5 mm，而α為15°時(shí)凹坑高度僅為6.2 mm。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于鍛件表面溫度較低，金屬流動較差會導(dǎo)致凹坑高度比模擬結(jié)果大，使得鍛件高度實(shí)際尺寸減少。

分別對錐板與平面夾角α為15°，錐頂平臺長度h長250 mm、500 mm、750 mm進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的各節(jié)點(diǎn)平均等效應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著平臺長度h的減少各點(diǎn)平均等效應(yīng)變增大。同夾角α的增大對展平過程中鍛件局部凹坑高度的影響相反，減少平臺長度h會使凹坑高度增大。

圖6 錐板斜度對平均等效應(yīng)變的影響Figure 6 Effects of cone plate slope on average equivalent strain

圖7 h=500，α=20°情況下鐓粗效果Figure 7 Upsetting effect when h=500,α=20°

圖8 錐板平臺長度h對平均等效應(yīng)變的影響Figure 8 Effects of cone plate platform length h on average equivalent strain

考慮到目前厚餅類鍛件出現(xiàn)密集性缺陷的區(qū)域在鍛件高度方向的中部，直徑方向2/3區(qū)域內(nèi)(如圖9a)，在成形工藝的設(shè)定過程中應(yīng)增大該區(qū)域的塑性變形，從而使缺陷彌散或焊合。對比各種情況下等效應(yīng)變分布，a、b、c方案在該區(qū)域等效應(yīng)變較小，因此增大錐板與平面夾角α對減小缺陷產(chǎn)生效果不明顯。方案e、f在該區(qū)域等效應(yīng)變較大，可以通過進(jìn)一步分析得到最優(yōu)的成形效果。通過以上分析，采用錐板鐓粗+展平工藝能夠顯著增加鍛件內(nèi)部塑性變形，增加變形均勻性，但是采用錐板鐓粗+展平工藝的最終效果與平面夾角α及錐頂平臺長度h有重要影響，因此根據(jù)鍛件結(jié)構(gòu)及材料選擇合理的錐板工藝參數(shù)，是今后錐板鐓粗+展平工藝研究的重點(diǎn)。

圖9 不同變形過程等效應(yīng)變云圖Figure 9 The nephogram of equivalent strain under different deformation processes

3 結(jié)論

通過對不同工藝參數(shù)下錐板鐓粗+展平工藝及平板鐓粗工藝的數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論：

(1)對比平板鐓粗，錐板鐓粗+展平成形方式對各節(jié)點(diǎn)在鍛件中的最終位置影響較小，但鍛件外側(cè)金屬的流動軌跡發(fā)生了明顯的變化。

(2)對比平板鐓粗，錐板鐓粗+展平成形使鍛件內(nèi)部等效應(yīng)變顯著增大，變形剛性區(qū)大幅減少，金屬變形更加均勻。

(3)適當(dāng)增大錐板與平面夾角α或減小錐頂平臺長度h都會增大鍛件內(nèi)部金屬平均等效應(yīng)變及鍛件表面凹坑高度。錐板參數(shù)的改變會引起等效應(yīng)變分布的變化，因此需要根據(jù)鍛件缺陷產(chǎn)生的區(qū)域、鍛件結(jié)構(gòu)及鍛件材料來選擇合理的錐板工藝參數(shù)。

[1] 《鍛件質(zhì)量分析》編寫組.鍛件質(zhì)量分析.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[2] 劉助柏，倪利勇，劉國暉.大鍛件形變新理論新工藝.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.