圓柱鍛件沖孔允許變形量對(duì)應(yīng)孔徑比的模擬研究

高錦張，葉 明，馬武江，王興中

（1.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.上海新閔重型鍛造股份有限公司，江蘇 東臺(tái) 224200）

在工業(yè)發(fā)展過程中，空心鍛件的應(yīng)用場(chǎng)合越來越多，使用越來越頻繁。例如在核電行業(yè)，空心鍛件應(yīng)用于主管道鍛件、反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器等，這類鍛件都是核電站的一級(jí)關(guān)鍵部件，長(zhǎng)期處于高溫、高壓以及高流速帶來的交變應(yīng)力等惡劣的工作環(huán)境[1-3]。隨著工業(yè)生產(chǎn)要求的日益提高，鍛件的尺寸增大、重量增加，性能指標(biāo)提高，制造難度也隨之增加。

圓柱鍛件在進(jìn)行沖孔過程中，外形尺寸變化影響著整形工序的進(jìn)行，同時(shí)均勻的應(yīng)變場(chǎng)有利于提高鍛件的整體性能。當(dāng)沖孔直徑較大時(shí)，坯料中金屬參與變形的區(qū)域變大，導(dǎo)致坯料的外形變形越大，對(duì)坯料的應(yīng)變場(chǎng)均勻程度影響也越大，后續(xù)整形工序的工作量也越大。

本文對(duì)圓柱鍛件沖孔過程進(jìn)行研究，通過分析圓柱鍛件沖孔坯料外形變形量隨沖孔孔徑比的變化規(guī)律，提出沖孔允許的坯料外形變形量判據(jù)來確定相對(duì)應(yīng)的沖孔孔徑比范圍，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 有限元模型的建立及模擬方案簡(jiǎn)介

本文選用DEFORM-3D有限元軟件模擬分析圓柱鍛件沖孔的鍛造過程，坯料模型尺寸與實(shí)際尺寸以1:1進(jìn)行建模，如圖1所示。其中沖頭選用平底沖頭，在沖頭端部設(shè)有圓角r=20mm。H為圓柱鍛件的初始高度，D為圓柱鍛件的初始直徑，沖頭直徑即目標(biāo)鍛件的內(nèi)孔直徑d，d/D為目標(biāo)鍛件沖孔時(shí)的孔徑比。分析圓柱鍛件沖孔坯料外形變形量隨沖孔孔徑比的變化規(guī)律。

圖1 沖孔前后的坯料的尺寸

有限元模型參數(shù)設(shè)置如表1所示，坯料的材料模型是P91耐熱合金鋼，設(shè)為塑性體；沖頭及下平砧采用H13鋼，不發(fā)生塑性變形，均設(shè)置為剛體。沖頭速度設(shè)為40mm/s，其與坯料的摩擦系數(shù)設(shè)為0.1，實(shí)際生產(chǎn)中沖頭表面采用重油潤滑。在坯料沖孔過程中，為了均衡求解精度和求解速率，在網(wǎng)格劃分過程中，采用絕對(duì)網(wǎng)格劃分，設(shè)置合理最小單元尺寸。DEFORM-3D軟件求解器選用Conjugate求解方法，Direct iteration迭代法。

表1 前處理工藝參數(shù)的選定

圓柱鍛件沖孔時(shí)，需沖孔毛坯的高徑比H/D（H、D分別為圓柱鍛件的高度和直徑）不同，沖孔引起的外形尺寸的變化量也將不同。根據(jù)實(shí)際要求提出允許坯料外形變形量的合理判據(jù)，確定沖孔孔徑比d/D（D、d分別為圓柱鍛件的毛坯直徑和沖孔孔徑）。

2 沖孔坯料外形變形量隨孔徑比的變化

2.1 沖孔的坯料外形變形量

文獻(xiàn)[4]定義沖孔后毛坯外形發(fā)生變形的坯料端面塌陷h、坯料變性后直徑Dmax和坯料變形后高度Hmax三個(gè)參數(shù)描述外形變化。在此采用兩個(gè)參數(shù)來描述沖孔后坯料外形變化程度。分別為沖孔后鍛件的鼓形最大直徑Dmax和端面變形后的最大高度Hmax，各參數(shù)具體如圖1所示。

為了比較沖孔后外形變化程度，分別提取高度的變化量△H，最大外徑變化量△D，作為上述參數(shù)的定量比較，其中：

2.2 沖孔坯料外形變形量與孔徑比的關(guān)系

選擇H/D=2.0中，直徑D為?1000mm，高度H為2000mm的坯料進(jìn)行模擬分析。沖孔過程分為正向沖盲和鍛件翻轉(zhuǎn)180°后沖孔，沖頭行程皆為坯料原始高度的一半，選擇孔徑比為0.25、0.30、0.35、0.40和0.45。研究沖孔后圓柱鍛件外形變形量隨著沖孔孔徑比的變化情況，通過數(shù)據(jù)采集得到各個(gè)尺寸下坯料外形變形量隨著孔徑比增大的變化狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 沖孔坯料外形變形量隨孔徑比的變化關(guān)系

由圖2a可知，圓柱鍛件沖孔外形變形量△H/H隨著孔徑比的增大而增大，表明隨著孔徑比的增大，沖孔結(jié)束后圓柱鍛件高度減小量越大。由圖2b可知，圓柱鍛件沖孔外形變形量△D/D隨著沖孔孔徑比的增大而增大，表明隨著孔徑比的增大，沖孔結(jié)束后圓柱鍛件鼓形的最大直徑增大量越大。

如前文所述，坯料的變形程度影響后續(xù)鍛造過程及整形操作。通過研究圓柱鍛件沖孔坯料外形變形量隨沖孔孔徑比的變化規(guī)律，根據(jù)實(shí)際鍛造過程應(yīng)變場(chǎng)的均勻程度要求確定|△H/H|與|△D/D|的允許范圍，確定允許變形量判據(jù)對(duì)應(yīng)的沖孔孔徑比。由圖2c可知，當(dāng)|△D/D|判據(jù)與|△H/H|判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)皆為判據(jù)1時(shí)，|△D/D|判據(jù)對(duì)應(yīng)的孔徑比數(shù)值為a，|△H/H|判據(jù)對(duì)應(yīng)的孔徑比數(shù)值為b，在兩個(gè)判據(jù)條件對(duì)應(yīng)的孔徑比取較小值為坯料尺寸為?1000mm×2000mm下允許的最大沖孔孔徑比；當(dāng) |△D/D|判據(jù)與|△H/H|判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不同，|△D/D|判據(jù)為判據(jù)1，|△H/H|判據(jù)為判據(jù) 2，|△D/D|判據(jù)對(duì)應(yīng)的孔徑比數(shù)值為a，|△H/H|判據(jù)對(duì)應(yīng)的孔徑比數(shù)值為b′，在兩個(gè)判據(jù)條件對(duì)應(yīng)的孔徑比a，b′取較小值為坯料尺寸為H/D=2.0時(shí)?1000mm×2000mm允許的最大沖孔孔徑比。

3 相同高徑比不同直徑的圓柱鍛件沖孔外形變形量隨孔徑比的變化規(guī)律

選擇高徑比H/D=2.0，坯料直徑D為分別400mm、600mm、800mm、1000mm、1200mm、1400mm和1600mm，7種P91耐熱合金鋼的坯料尺寸進(jìn)行沖孔模擬實(shí)驗(yàn)。選擇孔徑比為0.25、0.30、0.35、0.40和0.45。通過數(shù)據(jù)采集得到各個(gè)尺寸下坯料外形變形量隨著沖孔孔徑比增大的變化狀態(tài)，如圖3、4所示。

由圖3a、4a可知，在高徑比為2.0，圓柱鍛件的沖孔過程結(jié)束后，隨著坯料直徑的增大，沖孔時(shí)鍛件外形變形量增大。在圓柱鍛件沖孔過程中，可以利用圖3a、4a進(jìn)行插值估算圓柱鍛件直徑在400mm～1600mm之間的沖孔變形量，從而根據(jù)沖孔變形量判據(jù)確定最大沖孔孔徑比，為圓柱鍛件沖孔工藝參數(shù)的制訂提供分析依據(jù)。

由圖3b、4b可知，在任意坯料直徑條件下，外形變形量判據(jù)條件：|△H/H|判據(jù)和|△D/D|判據(jù)確定的對(duì)應(yīng)的沖孔孔徑比較小值為最大沖孔孔徑比。

上述研究描述了高徑比為2.0時(shí)，直徑為400mm～1600mm的圓柱鍛件沖孔時(shí)外形變形量與沖孔孔徑比的變化規(guī)律。旨在為P91耐熱合金鋼不同高徑比下圓柱鍛件沖孔時(shí)外形變形量與沖孔孔徑比之間關(guān)系提供研究方法。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求對(duì)圓柱鍛件沖孔允許外形變形量提出判據(jù)，確定對(duì)應(yīng)的沖孔孔徑比。

圖3 H/D=2.0不同坯料直徑D沖孔時(shí)高度變形量隨孔徑比的變化規(guī)律

4 圓柱鍛件沖孔允許變形量與孔徑比的對(duì)應(yīng)規(guī)律

根據(jù)沖孔外形變形量變化情況對(duì)應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)均勻程度分布狀況，將限定|△H/H|≤5%，|△D/D|≤10%作為沖孔變形量判據(jù)條件。

選取高徑比（H/D）為 1.0、1.5、2.0、2.5 和 3.0 的圓柱鍛件，其中H為圓柱鍛件的毛坯高度，D為圓柱鍛件的毛坯直徑。在每個(gè)高徑比下，選擇幾種坯料尺寸，如表2所示。

選取表2中的尺寸數(shù)據(jù)，分別對(duì)高徑比H/D為1.0、1.5、2.5、3.0的坯料進(jìn)行沖孔模擬實(shí)驗(yàn)，記錄各個(gè)坯料尺寸下滿足 |△H/H|≤5%，|△D/D|≤10%判據(jù)條件對(duì)應(yīng)的沖孔孔徑比，將數(shù)據(jù)記錄分別在表3和表4。

圖4 H/D=2.0不同坯料直徑D沖孔時(shí)直徑變形量隨孔徑比的變化規(guī)律

表2 坯料尺寸/mm

表3 不同H/D下，滿足|△H/H|≤5%的孔徑比

表4 不同H/D下，滿足|△D/D|≤10%的孔徑比

由表3和表4可知，不同H/D下，滿足|△D/D|≤10%的孔徑比均小于|△H/H|≤5%判據(jù)條件所獲得的孔徑比。因此，在兩個(gè)判據(jù)條件對(duì)應(yīng)的孔徑比取較小值為|△D/D|≤10%的對(duì)應(yīng)的孔徑比。

由表4可知，在同一高徑比下，坯料的沖孔允許外形變形量對(duì)應(yīng)的沖孔孔徑比隨著坯料直徑的增大呈減小趨勢(shì)；在相同坯料直徑時(shí)，孔徑比隨著坯料高徑比的增大而減小。為了更加直觀觀察沖孔允許變形量對(duì)應(yīng)的沖孔孔徑比與坯料尺寸變化的關(guān)系，將表4中孔徑比數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)坯料直徑時(shí)的沖孔尺寸，如表5所示。

表5 不同H/D下，不同坯料直徑的最大沖孔尺寸/mm

同時(shí)繪制成以高徑比H/D為橫坐標(biāo)，以沖孔尺寸為縱坐標(biāo)，將不同坯料直徑下沖孔允許變形量對(duì)應(yīng)的沖孔尺寸與高徑比H/D的關(guān)系繪制成圖5。

由圖5所示，在相同坯料直徑下，隨著高徑比的增大，沖孔允許外形變形量對(duì)應(yīng)的沖孔尺寸也減小。在相同高徑比下，隨著坯料直徑的增大，沖孔允許外形變形量對(duì)應(yīng)的沖孔尺寸變大。

根據(jù)以上分析結(jié)果，在圓柱鍛件沖孔過程中，坯料沖孔外形變形量滿足 |△H/H|≤5%，|△D/D|≤10%判據(jù)條件時(shí)，對(duì)于直徑在400mm～1600mm間的圓柱鍛件允許外形變形量對(duì)應(yīng)的沖孔尺寸可通過圖5進(jìn)行插值獲得，從而為大型圓柱鍛件沖孔工藝參數(shù)提供分析依據(jù)。

圖5 不同坯料直徑下，沖孔尺寸與高徑比H/D的關(guān)系

5 結(jié)論

本文選取高徑比為 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 的圓柱鍛件，在不同圓柱鍛件直徑尺寸下進(jìn)行沖孔工藝的模擬分析，得到以下結(jié)論：

（1）高徑比一定，毛坯直徑一定時(shí)的圓柱鍛件沖孔過程中，隨著孔徑比增大，沖孔坯料外形變形量增大。

（2）在H/D=2時(shí)，當(dāng)圓柱鍛件沖孔外形變形量滿足判據(jù)條件，可通過圓柱鍛件沖孔外形變形量與沖孔孔徑比變化關(guān)系得到對(duì)應(yīng)的允許沖孔孔徑比。

（3）在H/D=2時(shí)，當(dāng)坯料直徑為400mm～1600mm時(shí)，沖孔允許外形變形量對(duì)應(yīng)的沖孔尺寸與坯料直徑的關(guān)系可以通過插值查表得出。

（4）在圓柱鍛件沖孔外形變形量滿足|△H/H|≤5%，|△D/D|≤10%判據(jù)條件時(shí)，在相同坯料直徑下，隨著高徑比的增大，沖孔允許變形量對(duì)應(yīng)的沖孔尺寸也減小。在相同高徑比下，隨著坯料直徑的增大，沖孔允許變形量對(duì)應(yīng)的沖孔尺寸增大。

（5）在圓柱鍛件沖孔外形變形量滿足|△H/H|≤5%，|△D/D|≤10%判據(jù)條件時(shí)，在 H/D=1.0、1.5、2.0、2.5和3.0時(shí)，當(dāng)坯料直徑400mm～1600mm時(shí)，沖孔允許外形變形量對(duì)應(yīng)的沖孔尺寸與坯料直徑的關(guān)系可以通過插值查表得出。