寬V型砧鍛造模擬分析及工藝參數(shù)選取

秦紅付 龐慶海 孫萬通 董文斐 金 明 孫曉靜

(1.中信重工機(jī)械股份有限責(zé)任公司，河南471039；2.河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471039)

寬V型砧鍛造模擬分析及工藝參數(shù)選取

秦紅付1,2龐慶海1,2孫萬通1,2董文斐1,2金 明1孫曉靜1

(1.中信重工機(jī)械股份有限責(zé)任公司，河南471039；2.河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471039)

通過選取不同的砧寬比和壓下率參數(shù)，模擬上下寬V型砧拔長變形，運(yùn)用有限元方法分析坯料截面最大主應(yīng)力變化，選取合理的上下寬V型砧拔長工藝參數(shù)，提高鍛件質(zhì)量。

寬V型砧；砧寬比；壓下率；有限元

大型礦山、冶金、發(fā)電設(shè)備的鍛件要獲得良好的內(nèi)部質(zhì)量，一方面要提高鋼水純凈度，降低氣體含量及減少非金屬夾雜物；另一方面就是通過改進(jìn)鍛造方法，滿足坯料變形時(shí)的壓應(yīng)力狀態(tài)，控制缺陷向線性方向發(fā)展而引起超聲檢測的當(dāng)量超標(biāo)[1]。在寬平砧拔長方法的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)砧型，改變坯料的應(yīng)力應(yīng)變條件，形成上下寬V型砧的拔長方法。寬V型砧工裝設(shè)計(jì)簡單、通用性強(qiáng)，工藝參數(shù)可以通過數(shù)值模擬的方法獲取。

1 模擬模型和模擬參數(shù)建立

對(duì)1400 mm上下寬V型砧建立符合實(shí)際情況的有限元模型，見圖1。V型砧設(shè)置為剛性體，材料選擇H13模具鋼，坯料選擇42CrMo，坯料溫度設(shè)置為1200℃，型砧預(yù)熱溫度設(shè)置為300℃，熱交換系數(shù)取0.02 N/(s·mm·℃)，毛坯與型砧的接觸摩擦方式選剪切摩擦，摩擦系數(shù)取0.7，上V型砧向下運(yùn)動(dòng)，速度選定值20 mm/s。

2 不同砧寬比和壓下率拔長的最大主應(yīng)力分析

設(shè)計(jì)不同砧寬比和壓下率的模擬實(shí)驗(yàn)，表1是模擬的具體工藝參數(shù)。

沿型砧橫向中心線解剖坯料，從中心到表面位置取不同的點(diǎn)，取點(diǎn)位置如圖2所示。分析鍛件心部到表面的最大主應(yīng)力變化情況，得出不同砧寬比和壓下率的最大主應(yīng)力曲線，見圖3。

圖1 1400 mm上下寬V型砧拔長建模Figure 1 Modeling of drawing out process with upper and lower V shape wide anvils

表1 模擬工藝參數(shù)Table 1 The simulated process parameters

通過分析圖3可得出：

(1)橫向拉應(yīng)力隨著砧寬比的增大而上升，隨著壓下量的增大而降低，橫向拉應(yīng)力存在峰值狀態(tài)，即在拔長的最初階段拉應(yīng)力處于主導(dǎo)地位，隨后降低。

圖2 坯料橫向取點(diǎn)示意圖Figure 2 The sketch of transverse test points of blank

(a)砧寬比0.4(b)砧寬比0.5(c)砧寬比0.58(d)砧寬比0.7

圖3 四種砧寬比下最大主應(yīng)力隨壓下率變化曲線
Figure 3 The variation curve of maximum principle stress and reduction ratio with four different anvil width ratios

(2)砧寬比0.4，壓下率達(dá)到20%時(shí)，壓應(yīng)力不能完全作用到坯料芯部(P1～P10點(diǎn)最大主應(yīng)力為正，認(rèn)為是拉應(yīng)力狀態(tài))，受表面拉應(yīng)力的影響，坯料芯部處于極小的拉應(yīng)力狀態(tài)；砧寬比達(dá)到0.6左右時(shí)，即使是在壓下率小于10%的狀態(tài)下，坯料芯部也滿足壓應(yīng)力狀態(tài)(P8～P10點(diǎn)最大主應(yīng)力為負(fù)，認(rèn)為是壓應(yīng)力作用)；砧寬比達(dá)到0.7時(shí)，外圓表面橫向拉應(yīng)力達(dá)到50 MPa(P1點(diǎn))，產(chǎn)生橫向裂紋傾向嚴(yán)重。

(3)分析砧寬比0.6時(shí)的拔長狀態(tài)，壓下量小于10%時(shí)，拉應(yīng)力處于上升階段；壓下量超過10%時(shí)，拉應(yīng)力降低，靠近坯料心部逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)。

通過以上分析得出，寬V型砧拔長坯料要獲取良好的壓應(yīng)力狀態(tài)，砧寬比應(yīng)選擇在0.5～0.6的范圍內(nèi)，同時(shí)，為獲得良好的坯料三向壓應(yīng)力狀態(tài)，壓下量應(yīng)不小于15%。但是，壓下量越大壓機(jī)的負(fù)荷也越大，增大的變形抗力也容易造成V型砧損壞，所以壓下率不能太大。寬V型砧拔長時(shí)，坯料上越靠近表面位置所受拉應(yīng)力作用越大，在鍛造時(shí)容易產(chǎn)生表面裂紋，對(duì)較大裂紋要及時(shí)清理，以避免裂紋擴(kuò)張和帶入下道工序。

3 WHF鍛造法和KD鍛造法對(duì)比分析

取坯料直徑?3800 mm，平砧寬2200 mm，按砧寬比0.58，壓下率20%，模擬WHF寬平砧拔長；取坯料直徑?2400 mm，上下1400 mm寬V型砧，砧寬比0.58，壓下率20%，模擬V型砧拔長。兩種拔長方法的最大主應(yīng)力分布對(duì)比見圖4。

由圖4分析得出：

(a)上下寬V型砧拔長(b)寬平砧拔長

圖4 兩種拔長方法的最大主應(yīng)力分布對(duì)比Figure 4 The comparison of maximum principle stress distribution with two drawing out processes

圖5 V型砧拔長等效應(yīng)變分布
Figure 5 The equivalent strain distribution of drawing out process with V shape anvil

(1)在相同的壓下率和砧寬比下，采用兩種鍛造方法，沿坯料橫向中心線由里向外的拉應(yīng)力值增大，坯料橫向外圓表面受最大拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋區(qū)，兩種鍛造方法的橫向拉應(yīng)力水平接近。

(2)受摩擦力影響，錘頭和坯料接觸面產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，壓應(yīng)力沿著接觸面向坯料芯部發(fā)展。比較兩種拔長方法，V型砧拔長的壓應(yīng)力作用到坯料心部，形成壓應(yīng)力的X形區(qū)；寬砧拔長的壓應(yīng)力未完全作用到坯料心部(D線區(qū)域最大主應(yīng)力為6.8 MPa的拉應(yīng)力狀態(tài))。因此，寬砧拔長需要更大的砧寬比才能達(dá)到壓實(shí)心部的目的，即增加寬砧拔長道次。

4 低壓轉(zhuǎn)子V型砧拔長模擬

在實(shí)際生產(chǎn)中，可以結(jié)合兩種砧型的拔長優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用WHF和KD鍛造法聯(lián)合的鍛造工藝。對(duì)于直徑大的鐓粗坯料，先采取WHF鍛造法拔長，再將KD鍛造法作為WHF后的補(bǔ)充拔長，有效避免漏壓區(qū)。以鍛造300 MW低壓轉(zhuǎn)子用的200 t級(jí)鋼錠為例，其鐓粗直徑達(dá)到?3800 mm，若直接采用1400 mm寬V型砧拔長，則砧寬比只有0.36，即使壓下率達(dá)到20%，心部也不能形成壓應(yīng)力狀態(tài)。而投入更大的型砧來滿足砧寬比要求，就需要更大規(guī)格的壓機(jī)，顯然不切實(shí)際。

采用兩種砧型聯(lián)合鍛造工藝，坯料經(jīng)WHF拔方后，四方體倒棱成八方，滾圓，形成V型砧拔長坯料規(guī)格。V型砧拔長模擬按兩道次拔長，第一道壓下量按坯料高度的15%計(jì)算，第二道適當(dāng)調(diào)整壓下量，錘與錘按10%的砧寬搭接，第二道錯(cuò)半砧拔長。V型砧拔長等效應(yīng)變分布見圖5。

經(jīng)WHF拔方、V型砧拔長兩道次的坯料心部范圍的等效應(yīng)變值達(dá)到4.2以上，可以達(dá)到有效的鍛造壓實(shí)目的。

5 300 MW汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子鍛造工藝試驗(yàn)

350 MW低壓轉(zhuǎn)子鍛件，尺寸?1900 mm×9600 mm，鍛件重120 t，采用210 t鋼錠鍛造。鍛造工藝步驟為：Ⅰ火加熱→倒棱、冒口壓鉗口→Ⅱ火加熱→鐓粗、WHF法拔方→采用1400 mm上下V型砧拔長→鍛出成品→鍛后熱處理。采取此工藝鍛造的350 MW汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子超聲檢測合格，交付用戶。

6 結(jié)論

上下寬V型砧拔長比寬平砧拔長在應(yīng)力應(yīng)變分布和鍛合孔穴能力上更有優(yōu)越性，砧寬比選取0.5～0.7，壓下率應(yīng)不小于15%，使用合理的工藝參數(shù)能夠有效壓實(shí)鍛件，同時(shí)降低坯料表面開裂，提高鍛件質(zhì)量。

[1] 馬慶賢,張國偉,等.大型鍛件內(nèi)部夾雜性缺陷產(chǎn)生機(jī)理研究[J].中國機(jī)械工程，2001，12(8):943-946.

[2] 張景利,王少鵬,馬慶賢. FM法拔長工藝中合理砧寬比和變形量研究[J]. 大型鑄鍛件,2010(2):5-8.

[3] 劉助柏,王連東,劉國輝,等. 大型鍛件鍛造工藝?yán)碚撆c技術(shù)的進(jìn)展[J]. 大型鑄鍛件,1998(2):8-13.

[4] 劉助柏,王連東,李兆夫. 液壓機(jī)上鐓粗與拔長新理論與新工藝的研究[J]. 大型鑄鍛件,1999(3):48-54.

編輯 杜 敏

Simulation Analysis and Parameter Selection of Forging Process with V Shape Wide Anvil

Qin Hongfu, Pang Qinghai, Sun Wantong, Dong Wenfei, Jin Ming, Sun Xiaojing

By selecting different anvil width ratio and reduction ratio, the deformation of drawing out process with upper and lower V shape wide anvils has been simulated, and the variation of maximum principle stress on the section of blank has been analyzed by the finite element method. The quality of forgings can be improved by selecting the rational parameters of drawing out process with upper and lower V shape wide anvils.

V shape wide anvil; anvil width ratio; reduction ratio; finite element

2016—10—19

TG316.1+2

A