P91無(wú)縫鋼管徑向鍛造過(guò)程模擬分析

文/郝新，聞新航·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

P91無(wú)縫鋼管徑向鍛造過(guò)程模擬分析

文/郝新，聞新航·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

厚壁無(wú)縫鋼管一般指外徑(D)與壁厚(S)之比(D/S)小于20的無(wú)縫鋼管，主要用于流體輸送管、結(jié)構(gòu)管、石油天然氣管道以及高壓鍋爐管等。P91鋼作為新型的耐熱鋼，因其綜合性能優(yōu)良，主要用于高溫作業(yè)下主蒸汽管道和高溫再熱管道等重要高溫承壓部件。

目前國(guó)內(nèi)還主要靠自由鍛結(jié)合鏜孔加工工藝來(lái)生產(chǎn)這類厚壁無(wú)縫鋼管，綜合性能差，而國(guó)外則采用擠壓、連鑄連軋等工藝來(lái)生產(chǎn)該類管件，綜合性能優(yōu)良。2009年，內(nèi)蒙古北方重工集團(tuán)有限公司成功開發(fā)研制了世界最大的3.6萬(wàn)噸黑色金屬立式擠壓機(jī)，開始生產(chǎn)厚壁無(wú)縫鋼管，打破了國(guó)外對(duì)該類管件的壟斷，但由于擠壓載荷和擠壓速度的限制生產(chǎn)效率不高，并且存在組織性能不均的缺陷。

由于徑向鍛造能改善管件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提高組織均勻性。為此針對(duì)P91（10Cr9Mo1VNb）厚壁無(wú)縫鋼管徑向鍛造過(guò)程進(jìn)行模擬分析，為獲得合理的徑向鍛造模具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)提供理論依據(jù)具有重要意義。

鍛錘結(jié)構(gòu)參數(shù)

徑向鍛造是一種在同一平面上同時(shí)對(duì)軸類零件施加多個(gè)周向均勻分布的鍛打力，是利用旋轉(zhuǎn)鍛造方法加工長(zhǎng)軸類鍛件的工藝方法，屬于精密模鍛的一種。徑向鍛造工藝中，在工件周圍一般有兩個(gè)或四個(gè)均勻?qū)ΨQ分布的錘頭，錘頭在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下在徑向方向進(jìn)行開合運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件沿徑向進(jìn)行高頻率同步對(duì)稱鍛打，與此同時(shí)工件在夾持裝置的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而完成整個(gè)工藝過(guò)程。

為了探討鍛錘對(duì)鍛件成形質(zhì)量的影響，本文設(shè)計(jì)了3種類型的鍛錘，如圖1所示。平鍛鍛錘與坯料接觸的工作長(zhǎng)度為500mm、寬為300mm、高為200mm。圓弧錘頭，圓弧半徑稍大于毛坯尺寸半徑1～2mm，圓弧半徑小會(huì)造成啃料現(xiàn)象，鍛件表面易出現(xiàn)折疊，但圓弧半徑過(guò)大則易使鍛件出現(xiàn)多邊形，因此根據(jù)鍛件坯料尺寸，將圓弧鍛錘的弧半徑設(shè)為264mm、長(zhǎng)度為500mm、寬為300mm。

含壓入角的圓弧鍛錘由壓入段和整形段組成，壓入段長(zhǎng)度為500mm，整形段長(zhǎng)度為300mm，兩者之間的過(guò)渡圓角設(shè)為50mm。

含壓入角的圓弧鍛錘可以分為壓入和整形兩部分。壓入部分主要用來(lái)擠壓金屬減小鍛件直徑，整形部分的作用是保證鍛件沿軸線的最終成形尺寸，如圖2所示。

圖1 鍛錘結(jié)構(gòu)

圖2 含壓入角的圓弧鍛錘工作示意圖

數(shù)值模擬分析

鍛錘形狀對(duì)成形的影響

企業(yè)實(shí)際坯料尺寸為外徑φ525mm，內(nèi)徑φ395mm，壁厚為65mm，長(zhǎng)5750mm。為了縮短模擬時(shí)間，模擬時(shí)長(zhǎng)度取2000mm。經(jīng)過(guò)徑向鍛造后，鍛件的外徑為φ425mm，壁厚為80mm。模擬時(shí)的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 模擬時(shí)工藝參數(shù)

鍛錘形狀對(duì)鍛件外形的影響如圖3所示。根據(jù)模擬結(jié)果可知，含壓入角的圓弧鍛錘鍛出的管件表面十分光滑平整，外形最好。圓弧鍛錘所鍛管件表面可以看到有沿軸向的較小的環(huán)形凹坑。平鍛錘所鍛管件表面為沿軸向較大的螺旋形狀凹槽。成形段是圓弧的鍛錘可以明顯改善鍛件的多邊形情況。由于含壓入角的圓弧鍛錘鍛打時(shí)與坯料的接觸面積最大，產(chǎn)生了較大的摩擦力，且鍛打力更容易深入坯料內(nèi)部。同時(shí)壓入角減小了每一次鍛打的變形量，將一個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)的大變形分解成幾個(gè)小的變形，使變形更加均勻，減少了金屬發(fā)生折疊和折皺的可能，因此可以有效的解決鍛件表面的凹坑缺陷。

圖3 鍛錘結(jié)構(gòu)對(duì)鍛件外形的影響

鍛錘壓入角徑向載荷和壁厚的影響

鍛錘壓入角是影響鍛件的質(zhì)量和鍛造成形力的重要因素之一。為此對(duì)壓入角5°、10°、15°和20°進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探究合理的鍛錘壓入角。根據(jù)模擬結(jié)果可知，鍛錘壓入角的變化對(duì)鍛件成形外形影響較小。但對(duì)徑向成形力影響較大，如圖4所示。由圖可知徑向成形力隨著壓入角的增加先增加，當(dāng)壓入角為10°時(shí)達(dá)到最大值，然后逐漸降低。

圖4 壓入角對(duì)徑向載荷的影響

鍛件壓入角對(duì)壁厚的影響如表2所示。隨著錘頭壓入角的增大鍛件壁厚呈先上升后下降的趨勢(shì)，錘頭壓入角由5°變化到10°時(shí)壁厚增加十分明顯，在10°達(dá)到壁厚的最大值，之后又呈下降趨勢(shì)。其中10°到15°之間壁厚減小比較明顯，15°以后變得平緩。

表2 不同錘頭壓入角下鍛件壁厚

軸向送進(jìn)量對(duì)鍛件成形的影響

軸向送進(jìn)量對(duì)鍛件質(zhì)量和生產(chǎn)效率影響較大。為此對(duì)軸向送進(jìn)量為50mm、100mm、150mm和200mm進(jìn)行模擬分析。其他工藝參數(shù)如表1所示。

軸向送進(jìn)量對(duì)鍛件外形的影響如圖5所示。送進(jìn)量為50mm、100mm和150mm時(shí)，外壁凹坑深度為0.72mm、1.35mm和1.67mm，內(nèi)壁凹坑深度為0.52mm、0.66mm和0.95mm；送進(jìn)量為200mm時(shí)外壁凹坑深度為5.11mm，內(nèi)壁凹坑深度為3.24mm。不同送進(jìn)量下外壁凹坑均明顯大于內(nèi)壁凹坑，送進(jìn)量對(duì)外壁凹坑的影響也要大于內(nèi)壁，軸向送進(jìn)量越大，表面凹坑深度越大。

圖5 送進(jìn)量對(duì)鍛件外形的影響

徑向鍛造實(shí)驗(yàn)研究

針對(duì)上述模擬結(jié)果，在企業(yè)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。鍛造設(shè)備采用公稱壓力為1800t(18MN)的臥式徑向鍛造機(jī)，如圖6所示。工藝參數(shù)為，錘頭壓入角為10°，錘頭整形段長(zhǎng)度為500mm，錘頭打擊頻率為每分鐘200次，單次旋轉(zhuǎn)角度為25°，軸向送進(jìn)量為50mm。坯料加熱溫度為1200℃，用夾持裝置將工件夾住，將其放在模座上，調(diào)整夾持裝置，鍛出P91厚壁無(wú)縫鋼管，如圖7所示，其外徑為φ425.8mm，壁厚為78.96mm。

圖6 臥式徑向鍛造機(jī)

圖7 鍛件實(shí)物圖

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于鍛錘形狀，含壓入角的圓弧鍛錘能夠提高鍛件的表面質(zhì)量。合理的徑向鍛造工藝參數(shù)為，錘頭壓入角為10°、錘頭整形段長(zhǎng)度500mm、錘頭打擊頻率為200次/分鐘、單次旋轉(zhuǎn)角度為25°、軸向送進(jìn)量為50mm。