DEFORM模擬耳軸鍛造

王玉紅，李 印，馬廷威

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DEFORM模擬耳軸鍛造

王玉紅1，李 印1，馬廷威2

（1.營口理工學(xué)院 電氣工程系，遼寧 營口 115014；2.營口理工學(xué)院 機械與動力工程系，遼寧 營口 115014）

耳軸是應(yīng)用在轉(zhuǎn)爐等煉鋼設(shè)備上的一個重要零件，它與拖圈一起承受來自轉(zhuǎn)爐鋼包重量。針對耳軸各工況下復(fù)雜的應(yīng)力情況和易出現(xiàn)斷裂的問題，采用DEFORM模擬900 mm寬V型砧鍛造的方法，結(jié)果表明第一次20%壓下開始，鍛件心部徑向應(yīng)力狀態(tài)均為壓應(yīng)力，有利于鍛件心部的鍛合，提高鍛件的質(zhì)量。

耳軸；鋼錠；DEFORM；模擬

耳軸是一種應(yīng)用在轉(zhuǎn)爐等煉鋼部件上的一個重要零件，它與拖圈連接在一起，承受轉(zhuǎn)爐鋼包的重量，在鋼鐵行業(yè)中受到廣泛應(yīng)用[1-2]。同時耳軸與拖圈也是轉(zhuǎn)爐的傳動部位，其安全性能直接影響轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的運行性能[3]。耳軸在使用過程中要承受來之鋼水的熱輻射，以及鋼包轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的彎矩，沖擊等力，工況十分復(fù)雜，因此對耳軸的制造要求非常嚴格。

通過采用鍛造后正火+回火的預(yù)處理和淬火+中溫回火的最終熱處理的方式能夠生產(chǎn)出力學(xué)性能合格的150 t鋼水罐耳軸[4]。文獻[5]通過采用WHF+極限成形鍛造法，有效地焊合了鋼錠內(nèi)部缺陷，改善了坯料心部組織，生產(chǎn)出了滿足質(zhì)量要求的275 t盛鋼桶耳軸。因此鍛合坯料內(nèi)部缺陷，破碎樹枝晶，改善心部組織是提高大型耳軸質(zhì)量的重要方法。75 t轉(zhuǎn)爐用驅(qū)動端耳軸鍛件圖如圖1所示。

圖1 驅(qū)動端耳軸鍛件圖

1 實驗材料與工藝

75 t轉(zhuǎn)爐驅(qū)動端耳軸材質(zhì)為20MnMoNb，采用雙真空冶煉，冶煉成分如表1所示[1]。

表1 化學(xué)成分表 (質(zhì)量分數(shù)%)

根據(jù)鍛件圖進行計算可知，驅(qū)動端耳軸需要使用76 t鋼錠進行鍛造，設(shè)備采用8 000 t油壓機。鍛造工藝過程是：鋼錠倒棱，錯水口后，鐓粗至高為1 650 mm，直徑約為2 350 mm，鐓粗后采用900 mm寬V型砧，壓下量20%左右，錯砧拔長到1 450 mm后分段，精整出成品。由于驅(qū)動端耳軸采用的是76 t大鋼錠鍛造，鋼錠自身在冶煉中存在的大型柱狀晶、碳化物等內(nèi)部組織缺陷是影響鍛件質(zhì)量的因素，另一方面驅(qū)動端耳軸使用的環(huán)境惡劣對耳軸本身要求高，所以耳軸的鍛造采用V砧，提高鋼錠鍛造過程中心部的三向應(yīng)力，鍛合內(nèi)部組織缺陷，提高耳軸的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本文通過DEFORM模擬的方式進行75 t轉(zhuǎn)爐驅(qū)動端耳軸的鍛造過程，并探討鍛造對驅(qū)動端耳軸內(nèi)部質(zhì)量的影響，生產(chǎn)出質(zhì)量合格的產(chǎn)品。

2 有限元模擬

2.1 模型建立

金屬的實際變形過程非常復(fù)雜，在DEFORM模擬鍛件成型的過程中要對金屬進行一些假設(shè)，使金屬變形能夠滿足數(shù)學(xué)模擬的需要。假設(shè)如下（1）不考慮金屬材料的彈性變形過程；（2）忽略金屬材料自身的體積力的影響；（3）假設(shè)金屬材料均勻，且體積不發(fā)生變化。根據(jù)假設(shè)條件，驅(qū)動端耳軸可以視為鋼粘塑性材料，采用本構(gòu)模型[6]：

(1)

拔長工序模擬使用900 mm寬V型砧進行鍛造。在拔長模擬過程中只考慮應(yīng)力等對鍛件心部的鍛造壓合作用，沒有考慮溫度場影響。采用SolidWorks建立900 mm寬V砧和鐓粗后的鍛件。DEFORM模擬參數(shù)如下：900 mm寬V砧為剛體模型，鍛件坯料為塑性體，劃分絕對網(wǎng)格為100 000個，最小的網(wǎng)格尺寸為30 mm，設(shè)置步長為5 mm，每5步保存一次，壓下量為20%；壓機速度采用20 mm/s；摩擦因子為0.7；容差為1.2 mm；選用Newton-Raphson法進行迭代求解運算。

2.2 模擬結(jié)果與分析

對鐓粗后的坯料按照20%壓下量進行模擬，第一次20%壓下量的模擬結(jié)果如圖2所示。

為了分析方便，設(shè)置三個點，分別時中心位置的point1，距離表面1/4處的point2，表面的point3。從圖2中(a)和(b)可以看出，鍛件軸向截面距離表面1/4處即點Point2等效應(yīng)變較大，隨著時間的增加，各點的等效應(yīng)變不斷增加，但是心部point1和表面point2等效應(yīng)變增加的較少，尤其是心部point1的等效應(yīng)變增加更少。

在17.5 s等效應(yīng)變發(fā)生變動，這是由于鍛件發(fā)生網(wǎng)格的重新劃分。表面point3點在10 s后等效應(yīng)變趨近于穩(wěn)定，這是因為point3靠近上砧，冷卻較快，在V型砧鍛造過程中這部分形成難變形區(qū)，導(dǎo)致10 s后應(yīng)變增加較小。

圖2（c）中可以看出，等效應(yīng)力由鍛件的外表面向內(nèi)逐漸增加，在圖2（d）中鍛件心部point1存在47.5 MPa的等效應(yīng)力。圖2（e）為徑向應(yīng)力圖，可以看出在20%壓下量后，三個點的應(yīng)力值都為負值，也就是三個點處都收到V型砧的壓應(yīng)力作用，有利于鍛件質(zhì)量的提高。圖2（f）為軸向應(yīng)力圖，從圖中可以看出point1和point3應(yīng)力都是負值，處于壓應(yīng)力狀態(tài)，point2軸向應(yīng)力僅為3.6 MPa。

鍛件翻轉(zhuǎn)90°錯砧進行第三次20%壓下量鍛造，模擬結(jié)果如圖3所示。

從圖3（b）可以看出，隨著鍛造過程的進行，心部point1等效應(yīng)變在不斷增大，在69.5 s時等效應(yīng)變?yōu)?.36，在此應(yīng)變下，能夠完全鍛合鋼錠內(nèi)部的組織缺陷，破碎粗大的樹枝晶，提高了鍛件的質(zhì)量。圖3（c）可以看出，在本次壓下壓下過程中，心部point1的徑向應(yīng)力不斷變小，在69.5 s時為負值，處于壓應(yīng)力狀態(tài)，其余兩點處的應(yīng)力值為負值處于壓應(yīng)力狀態(tài)，這種徑向的三向壓應(yīng)力為鍛合內(nèi)部的組織缺陷提供條件。圖3（d）中point1雖然軸向應(yīng)力為13.2 MPa，這個過程的拉應(yīng)力沒有達到材料屈服極限的40~50%[7-8]，所以鍛件內(nèi)部不會產(chǎn)生裂紋。Point2和point3都是負值為壓應(yīng)力，有利于鋼錠的組織。

繼續(xù)對鋼錠進行鍛造，統(tǒng)計每次20%壓下量時的point1的等效應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

圖4 心部等效應(yīng)變圖

從圖中可以看出，隨著變形時間的增加，鍛件心部的等效應(yīng)變逐漸增大，最后一次20%壓下量變形時的等效應(yīng)變?yōu)?.4。現(xiàn)有的研究成果[9-10]認為：應(yīng)變是影響缺陷鍛合的必要條件，等效應(yīng)變值越高越有利于缺陷的鍛合，也越有利于打碎高碳鋼內(nèi)部的碳化物。圖中應(yīng)變值近似有臺階狀是因為鍛造是在一個方向，所以心部的等效應(yīng)變趨同。鍛件心部在這個應(yīng)變值下，在900 mm寬V型砧下，在高溫高壓大應(yīng)變鍛造能夠完全鍛合鋼錠內(nèi)部的組織缺陷，生產(chǎn)出質(zhì)量合格的耳軸。

3 結(jié)論

（1）從第一次20%壓下開始，鍛件心部徑向應(yīng)力狀態(tài)均為壓應(yīng)力，有利于鍛件心部的鍛合，提高鍛件的質(zhì)量。（2）隨著鍛造變形時間的增加，鍛件心部的等效應(yīng)變逐漸增加，到最后鍛完時等效應(yīng)變已經(jīng)達到1.4。（3）DEFORM模擬900mm寬V型砧對生產(chǎn)耳軸的鍛造工藝具有指導(dǎo)作用，降低廢品率。

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責(zé)任編校：劉亞兵

Forging of Trunnion by DEFORM Simulation

WANG Yu-hong1, LI Yin1, MA Ting-wei2

（1.Department of Electrical Engineering, Yingkou Institute of Technology, Yingkou 115014, China; 2. Department of Mechanical and Power Engineering, Yingkou Institute of Technology, Yingkou 115014, China）

The trunnion is an important part in steel melting equipments, which bears the weight of the converter. In view of its complicated working conditions and the problem of easy cracking we can take the forging method of 900mm wide V-board by DEFORM simulation. The results show that the corn of forging radial stress is pressed at 20% transformation for the first time, the forging quality enhanced.

trunnion; ingot; DEFORM; simulation

10.15916/j.issn1674-3261.2017.06.010

TG316.1

A

1674-3261(2017)06-0387-04

2017-05-08

王玉紅(1983-)，女，遼寧錦州人，講師，碩士。