不同規(guī)格弧形砧對圓柱體拔長影響的研究

陳 飛 劉 丹 韓 露 侯丁偉 趙 陽

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

不同規(guī)格弧形砧對圓柱體拔長影響的研究

陳 飛 劉 丹 韓 露 侯丁偉 趙 陽

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

使用有限元方法模擬了三種規(guī)格的弧形砧的拔長過程，同時對不同變形條件下工件的等效應(yīng)變、動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)、晶粒尺寸大小以及模具載荷狀況進行了比較。結(jié)果表明，弧面半徑接近工件半徑的弧形砧能夠有效增大工件整體等效應(yīng)變，增加動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)，起到細化晶粒的效果，但該型砧拔長所受載荷較大。

弧形砧；拔長；有限元方法

拔長是一種使工件橫截面積減小、長度增加的自由鍛造工序，它廣泛應(yīng)用于軸類鍛件的成形過程[1]。而工件的形狀尺寸、鍛造的工藝參數(shù)以及砧子的形狀規(guī)格對拔長的效果起著決定性作用，其中砧子的形狀規(guī)格的影響尤為顯著[2]。

本文基于DEFORM-3D有限元軟件模擬，制定幾組方案進行比較，闡述了不同弧面半徑的弧形砧[3-4]對圓柱體拔長的影響，分析了工件拔長后的等效應(yīng)變、動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)、晶粒變化情況以及模具載荷大小，使我們對不同規(guī)格弧形砧的圓柱體拔長工藝有更加深入的了解。

1 材料及工藝參數(shù)設(shè)定

以316不銹鋼為研究對象，選用弧面半徑不同的弧形砧分別進行圓柱體拔長，壓下量分別選取為5%、10%、15%。

工藝路線：工件進行兩次變形，在第一次變形后，將其翻轉(zhuǎn)90°進行第二次變形。

工件：工件材料為316不銹鋼，圓柱體尺寸為?100 mm×80 mm，劃分網(wǎng)格數(shù)為15 000，初始晶粒尺寸為200 μm，始鍛溫度為1100℃。

模具：模具材料選用AISI-H-13 machining，溫度為300℃，弧形砧的圓心角為120°，弧面半徑分別為40 mm、50 mm、60 mm?；⌒握杞孛嫒鐖D1所示。

圖1 弧形砧截面示意圖Figure 1 Schematic drawing of arc anvil section

邊界條件：設(shè)定上模具運動速度為2 mm/s，下模具靜止，剪切摩擦系數(shù)設(shè)定為0.7。

2 計算結(jié)果與分析

為了研究不同半徑弧形砧在拔長過程中對工件應(yīng)變、動態(tài)再結(jié)晶行為、平均晶粒尺寸以及模具載荷大小的影響，選取自由表面1和中間橫截面2作為研究對象，并在截面上取5個點進行分析，所取點、面位置如圖2所示。

2.1 不同規(guī)格弧形砧對應(yīng)變的影響

圖2 點、面位置Figure 2 Positions of points and planes

圖3 不同取點位置等效應(yīng)變Figure 3 Equivalent strain at different points

圖3所示為壓下量是15%、弧面半徑分別為40 mm、50 mm、60 mm的弧形砧拔長后工件截面1、截面2對應(yīng)點等效應(yīng)變變化示意圖?？梢钥闯觯孛?上各點比截面1上對應(yīng)點應(yīng)變量大，經(jīng)弧面半徑為40 mm和60 mm的弧形砧拔長后的工件從芯部到工件表面應(yīng)變逐漸減小，而經(jīng)弧面半徑為50 mm的弧形砧拔長后的工件從芯部到工件表面應(yīng)變先增大后減小。對比三種砧型，在壓下量相同的情況下，經(jīng)過弧面半徑為50 mm的弧形砧拔長后的工件截面1、截面2對應(yīng)點應(yīng)變相差最大，其它兩種砧型相差較小。圖3中R40-1、R40-2分別表示弧面半徑為40 mm的弧形砧拔長后工件的截面1、截面2，其他類似。

圖4表示不同型砧拔長后整個工件平均等效應(yīng)變隨著變形量的變化?？梢钥闯?，隨著變形量的增大，工件的平均應(yīng)變逐漸增大。在變形量相同的情況下，弧面半徑為50 mm弧形砧的平均等效應(yīng)變最大。這是因為該型砧與工件形狀最為接近，有效接觸面積大，故受力面積大導(dǎo)致平均等效應(yīng)變大。

2.2 不同規(guī)格弧形砧對動態(tài)再結(jié)晶的影響

圖5表示壓下量為15%、弧面半徑分別為40 mm、50 mm、60 mm的弧形砧拔長后工件截面1、截面2對應(yīng)點動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)變化示意圖。由圖可見，截面2上各點比截面1上對應(yīng)點的體積分數(shù)大，這說明工件中部比表面更容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。此外，經(jīng)弧面半徑為40 mm弧形砧拔長后的工件未發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，經(jīng)弧面半徑為50 mm弧形砧拔長后的工件由芯部到表面動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)先增大后減小，而對于經(jīng)弧面半徑為60 mm弧形砧拔長的工件由芯部到表面動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)逐漸減小。這一規(guī)律與對應(yīng)點的等效應(yīng)變變化規(guī)律相似，這是因為應(yīng)變大小是動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的主要因素之一。

圖5 不同取點位置動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)Figure 5 Dynamic recrystallization volume fraction at different points

2.3 不同規(guī)格弧形砧對晶粒尺寸的影響

圖6表示壓下量是15%、弧面半徑分別為40 mm、50 mm、60 mm的弧形砧拔長后工件截面1、截面2對應(yīng)點晶粒尺寸變化示意圖。由圖可知，截面2上各點比截面1上對應(yīng)點的晶粒尺寸小，這是因為工件中間部位比表面動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)大，從而使得晶粒細小。此外，經(jīng)弧面半徑為40 mm弧形砧拔長后的工件各點晶粒尺寸為200 μm，經(jīng)弧面半徑為50 mm弧形砧拔長后的工件由芯部到表面晶粒尺寸先減小后增大，而對于經(jīng)弧面半徑為60 mm弧形砧拔長的工件由芯部到表面晶粒尺寸逐漸增大。這一規(guī)律與對應(yīng)點的動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)變化規(guī)律相似，這是因為鍛件晶粒細化的主要原因之一就是動態(tài)再結(jié)晶。

圖7所示為不同規(guī)格弧形砧拔長后工件整體平均晶粒尺寸隨著變形量的變化趨勢。由圖可知，隨著變形量的增大，工件的平均晶粒尺寸逐漸減小。在變形量相同的情況下，弧面半徑為50 mm的弧形砧的平均晶粒尺寸最小，弧面半徑為60 mm的弧形砧次之，弧面半徑為40 mm的弧形砧最大，約為200 μm?？梢?，弧面半徑接近工件半徑的弧形砧對工件的晶粒細化效果最好。

2.4 不同變形條件下型砧載荷

圖8表示的是不同規(guī)格弧形砧拔長過程中型砧最大載荷的變化示意圖。從圖可知，隨著變形量的增大，拔長過程中型砧最大載荷不斷增加。在變形量相同的情況下，弧面半徑為50 mm的弧形砧所受載荷最大，弧面半徑為60 mm的弧形砧次之，弧面半徑為40 mm的弧形砧最小。可見，弧面半徑為50 mm的弧形砧雖然在增加工件平均應(yīng)變、細化晶粒方面效果明顯，但拔長所需壓力卻要求較高。

圖6 不同取點位置晶粒尺寸Figure 6 Grain size at different points

圖7 平均晶粒尺寸變化示意圖Figure 7 Schematic diagram of average grain size variation

圖8 壓力機最大載荷變化示意圖Figure 8 Schematic diagram of maximum load variation of the press

3 結(jié)論

(1)在相同變形條件下，弧面半徑接近工件半徑的弧形砧能夠有效增加工件平均等效應(yīng)變。

(2)在相同變形條件下，弧面半徑接近工件半徑的弧形砧能夠增大拔長后工件動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)，起到細化晶粒的作用。

(3)拔長過程中，弧面半徑接近工件半徑的弧形砧拔長所受載荷最大，因此該弧形砧拔長所需設(shè)備的公稱壓力最高。

[1] 姚澤坤.鍛造工藝學(xué)與模具設(shè)計[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2007．

[2] 陳穎,任運來,聶紹珉.凹面砧方坯拔長研究[J].大型鑄鍛件，2001(3):22-25．

[3] 譚波.10MN全自動快鍛機車軸鍛造成形工藝研究及軟件開發(fā)[D].長沙:中南大學(xué),2014．

[4] 趙玲玲,杜鳳山,黃華貴,等.大鍛件鍛造拔長砧型[J].塑性工程學(xué)報,2009,16( 6):28-32．

編輯 杜青泉

Research on the Effect of Different Sizes of Arc Anvils on the Stretching of Cylinder

Chen Fei, Liu Dan, Han Lu, Hou Dingwei, Zhao Yang

The stretching processes of three kinds of arc anvils have been simulated by the finite element method, and the equivalent strain, the dynamic recrystallization volume fraction, grain size and mold loading conditions under different deformation conditions have been compared. The results show that the arc anvil which arc radius is similar to the radius of the workpiece can effectively increase the overall equivalent strain of the workpiece and increase the dynamic recrystallization volume fraction, and refine the grain size, but the anvil suffers larger load during stretching.

arc anvil; stretching; finite element method

2016—10—08

陳飛(1990—)，男，碩士，主要研究方向為鍛壓技術(shù)與模具設(shè)計。

O242.21

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