大型金屬鍛件增材制坯用模具設(shè)計＊

張心金，祝志超，李 曉，朱 琳

（1.中國第一重型機械股份公司，黑龍江齊齊哈爾161042；2.天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457）

1 引言

大型金屬鍛件增材制坯技術(shù)，主要是為了嘗試解決大型鋼錠由于金屬鑄態(tài)本征所造成的偏析、縮松、縮孔等質(zhì)量問題，利用多塊高質(zhì)量圓柱初始圓餅坯料（連鑄坯或鍛坯），在高溫、三向壓應(yīng)力的熱力耦合綜合作用下，制備大型鍛件所需一體化復合鋼錠，從而替代傳統(tǒng)鍛件生產(chǎn)模式[1～2]。前期，國內(nèi)高校、科研院所及鋼廠等對大型特厚板坯、大型鍛件的復合技術(shù)已開展了大量研究，形成了較好的復合技術(shù)積累，并已有了一定的市場應(yīng)用[3～7]。2014年，鞍鋼采用熱軋復合技術(shù)成功試制440mm特厚鋼板，不僅填補了國內(nèi)以低成本生產(chǎn)工藝軋制保探傷特厚鋼板的空白，而且對提升鞍鋼特厚鋼板的品牌形象和市場競爭力具有重要意義，鞍鋼案例對制備大型金屬特厚板坯提供了良好思路，此消息以被各媒體轉(zhuǎn)載宣傳[8]。針對大型鋼錠偏析等制造難點，李殿中等人提出金屬構(gòu)筑技術(shù)，并在水電用水輪機主軸、核電用不銹鋼支撐環(huán)等鍛件中進行試制，為大型鍛件采用復合技術(shù)所制備的復合鋼錠來進行生產(chǎn)提供了顛覆性思路[9]。

但在現(xiàn)有技術(shù)中，所制備的復合鋼錠在初始圓餅坯料復合過程中存在復合界面過多、變形不均等系列問題。因此，提出利用大型金屬鍛件增材制坯技術(shù)來制備高質(zhì)量、一體化復合鋼錠。圖1所示為增材制坯核心流程示意圖，可分為兩段，前段為初始圓餅坯料的制備，后段為增材制坯過程，用來制備復合鋼錠。本文主要針對前段初始圓餅坯料的制備過程來進行研究的。在本技術(shù)中，所需的初始圓餅坯料均采用20～80t高質(zhì)量坯料（連鑄坯或鍛坯，更大噸位坯料需根據(jù)實際情況具體設(shè)計），并經(jīng)高溫加熱后在模具中采用閉式鐓粗的方式來進行制備。通過本方法，一方面，可滿足后續(xù)初始圓餅坯料表面智能化、數(shù)字化加工效率，有效去除初始圓餅坯料表面氧化皮、油污等，同時滿足安全吊裝、運輸?shù)刃枨?；另一方面，通過提高初始圓餅坯料的重量來減少后續(xù)復合界面數(shù)量，從而保障復合鋼錠質(zhì)量，這在以往報道中均未提到[10]。正是由于初始圓餅坯料需在模具中高溫變形，因此對所用模具有很高的要求。筆者通過大量研究，對所需模具進行了多種設(shè)計，以期為未來顛覆性大型金屬鍛件增材制坯技術(shù)推廣提供重要指導，滿足未來核電、石化、海工等眾多領(lǐng)域大型鍛件的生產(chǎn)需求。

圖1 增材制坯核心流程示意圖

2 增材制坯用模具設(shè)計

由于大型金屬鍛件增材制坯技術(shù)所需初始圓餅坯料的噸位初步設(shè)計范圍為20～80t，為保障初始圓餅坯料制備的自動化需求，同時考慮材料的高溫變形抗力等因素，將初始圓餅坯料的噸位范圍劃分為兩個重量級，分別為20～50t級、50～80t級，因此將模具設(shè)計為兩種，其中，圖2所示為20～50t級初始圓餅坯料閉式鐓粗用模具結(jié)構(gòu)，圖3所示為50～80t級初始圓餅坯料閉式鐓粗用模具結(jié)構(gòu)。

在圖2中，模具本體1包括第一半模11和第二半模12，二者經(jīng)一端鉸接對合形成模具本體1，從而形成模具腔2，另一端則通過鎖緊組件5進行固定，其中鎖緊組件5由螺栓、螺母、安裝耳板等組成。對于半模11，其側(cè)板111與底板112首尾相接且相互垂直設(shè)置以形成縱截面為L形結(jié)構(gòu)。在本套模具中，模具本體的內(nèi)側(cè)壁的1/2高度位置處設(shè)置陣列分布4～8個弧形凹槽3，其中，弧形槽的槽壁端面處的切線L與弧形槽的槽口所在平面P之間形成的角為銳角，角度大約在30°～60°。模具本體外側(cè)加裝保溫層4，以保障模具及坯料溫度。對于初始圓餅坯料噸位較大時，可采用圖3結(jié)構(gòu)，在保溫層外側(cè)增加一層套筒7。

圖2 初始圓餅坯料閉式鐓粗用模具結(jié)構(gòu)Ⅰ

圖3 初始圓餅坯料閉式鐓粗用模具結(jié)構(gòu)Ⅱ

3 模具選材及壁厚設(shè)計

由于坯料在放入模具前需經(jīng)高溫加熱，加熱溫度甚至高達1，250℃，因此，模具本體需采用具有一定耐熱強度的材料。在本文中優(yōu)選熱作模具鋼作為模具本體材料，如H13鋼。H13鋼是一種具有良好熱強韌性、紅硬性、抗疲勞、抗熱烈等優(yōu)異性能的熱作模具鋼，而被國內(nèi)外制造業(yè)中廣泛使用[11～13]。由于坯料要在模具本體的模具腔中閉式鐓粗變形，因此，模具本體需承受一定的坯料變形時的壓力，考慮坯料變形時的最大等效應(yīng)力與模具本體材料的屈服強度比值分析，模具本體側(cè)壁應(yīng)具有一定厚度，從而保障模具安全及使用壽命。

本文采用H13熱作模具鋼作為模具本體，對坯料材質(zhì)為YB65軋輥用合金鋼材料進行變形，坯料在放入模具前經(jīng)1，230℃下高溫保溫，并熱透。為合理設(shè)計模具壁厚，文中選擇YB65坯料尺寸為φ1，600× 5，000mm（高徑比3.125，重量約80t），壓下量 3，000mm。當坯料變形至高度2，000mm時，坯料在模具腔中進行閉式鐓粗后獲得的體積為φ2，530× 2，000mm。對于軸向不受力的厚壁圓筒件，即，模具本體可按照第三強度理論近似計算厚壁圓筒件的壁厚[14]，其公式如下：

式中t——模具本體壁厚

a——模具本體內(nèi)壁半徑，a=1，265mm

[σ]——許用應(yīng)力，[σ]=σb/安全系數(shù)

p0——均勻內(nèi)壓

根據(jù)相關(guān)企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗參數(shù)，其外套采用ZG230-450材料，其材料的抗拉強度σb=450MPa，安全系數(shù)為3-2.7。參考相關(guān)資料[15]，若選安全系數(shù)為3時，對于H13合金鋼，當HRC=46時，σb=1，503.1MPa，則[σ]=501MPa；當HRC=51時，σb=1，937.5MPa，則[σ]=646MPa。需要說明的是，以上所得[σ]均為室溫強度，而在實際工況下，受高溫初始圓餅坯料的影響，模具本體溫度會有所升高，其強度將會相應(yīng)下降，因此，更應(yīng)該加大模具本體的厚度，可選用最大強度數(shù)值以計算其最小壁厚；同時，由于模具本體內(nèi)測壁的凹槽尺寸較小，且數(shù)量較少，對應(yīng)力的影響不大，可暫不考慮，以簡化計算過程。

根據(jù)前期數(shù)值模擬結(jié)果，此時坯料最大點應(yīng)力值——均勻內(nèi)壓P0=96.8MP，選取較高強度來計算，即[σ]=646MPa，此 時 模 具 本 體 的 厚 度t需 大 于246.6mm。由于本文中所用數(shù)據(jù)目的是為了尋找模具合理壁厚，從而選擇較大噸位坯料進行計算，在實際設(shè)計中，模具本體厚度的具體數(shù)值還需根據(jù)坯料的實際情況進行確定。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 模具本體設(shè)計

（1）模具本體形狀設(shè)計。

本文中模具本體在設(shè)計中，主要考慮其形狀應(yīng)與最終成型得坯料得形狀相適應(yīng)，其中，其內(nèi)徑和高度等相關(guān)參數(shù)應(yīng)依據(jù)最終所需坯料得直徑和高度而定，但一般需滿足坯料得鐓粗比小于或等于3，從而避免初始圓餅坯料在鐓粗過程中產(chǎn)生雙鼓變形或折疊現(xiàn)象。此外，成型后坯料高度還需小于或等于模具本體得高度，從而保障坯料均勻穩(wěn)定變形，有效抑制鐓粗彎曲，進而保證成型后的坯料質(zhì)量。

（2）開合式設(shè)計。

當坯料在模具本體中鐓粗變形完畢后，由于坯料上外壁凸起的阻擋，會影響坯料的脫模，因此，在圖2、圖3中，模具本體均設(shè)計成對合式的分體結(jié)構(gòu)，在鐓粗結(jié)束后，兩個半模分離，便可將帶有凸起的坯料從模具中取出。

模具本體第一半模和第二半模通過一端鉸接，從而使得兩半模具能夠相對轉(zhuǎn)動，以達到開合模具的作用；另一端通過鎖緊組件進行固定。在設(shè)計鎖緊組件時，主要考慮緊固性好、穩(wěn)定性強、便于成型后坯料取出等因素，因此，鎖緊裝置通過螺栓、螺母配合固定，且設(shè)置兩道旋向相反的螺栓、螺母，從而利用相互鎖定的配合關(guān)系，以限制在鐓粗過程中承壓時兩道螺栓同時轉(zhuǎn)動，防止模具本體在遇到較大壓力時發(fā)生松動，實現(xiàn)雙向鎖定，提高固定效果。因此，在實際操作時，螺栓的具體數(shù)量及尺寸等參數(shù)應(yīng)根據(jù)鐓粗過程中模具本體實際承受的壓力來進行設(shè)計。

4.2 凹槽設(shè)計

凹槽主要用于坯料在閉式鐓粗時在表面相應(yīng)位置形成一定高度的凸起，從而便于后續(xù)初始圓餅坯料卡合在運料小車的卡板上，使其不易從運料小車上掉落，通過運料小車運送至下一工位，進行后續(xù)的機加工、清洗、焊接以及復合變形等工序。此外，該凸起的設(shè)置也可卡合在天車的夾爪中，有助于成型的初始圓餅坯料通過天車吊裝運輸，減小吊裝過程中坯料掉落的風險。同時，在坯料閉式鐓粗時，凹槽位置處形成的凸起可起到固定作用，防止坯料在高度減小過程中發(fā)生位移移動使得徑向受力不均進而影響成型效果，有利于提高坯料變形時受力的均勻性，提高成型后坯料的質(zhì)量。

對于凹槽設(shè)置在模具本體內(nèi)側(cè)壁的1/2高度位置，便于變形厚度的坯料外側(cè)壁上的凸起正好位于坯料的中部，當將含有凸起的初始圓餅坯料卡合于運料小車得卡板上時，可以盡量保證卡板上下得質(zhì)量相一致，從而可以提高運料小車得運輸穩(wěn)定性。

對于凹槽設(shè)計為弧形槽主要是考慮弧形結(jié)構(gòu)有利于坯料在壓力作用下擠入凹槽中形成凸起，也便于后續(xù)脫模操作。這主要是坯料上所形成的凸起與坯料的直徑相關(guān)，因此，在弧形槽的槽壁端面處的切線L與弧形槽的槽口所在平面P之間形成的角大致設(shè)計為α=30°～60°，從而保障在初始圓餅坯料表面形成角為平緩的曲面形凸起，且銳角α的角度越小越有利于坯料的擠入形成凸起，但凸起的高度也就越小，越不利于后續(xù)運料小車的卡板卡合坯料。同時，在該角度下，由于坯料在擠壓下能較容易地進入到弧形槽內(nèi)，可以提高該處的金屬流動性，進而減少坯料邊緣的難變形區(qū)，有利于提高成型后初始圓餅坯料的整體均勻化程度。

4.3 保溫層設(shè)計

由于初始圓餅坯料的閉式鐓粗過程是在高溫下進行，為減少坯料溫度的溫降，在模具本體外側(cè)加裝保溫層，其可由保溫棉、珍珠巖，或者耐高溫防火布等耐高溫的保溫材料制成。

在大型金屬鍛件的鍛造過程中，由于表面大，表面溫降迅速，尤其是坯料邊角等位置處溫度降低的更快，從而形成坯料心部溫度高，外面溫度過低，從而導致鐓粗時坯料表面出現(xiàn)開裂問題，嚴重影響成型后的坯料質(zhì)量。因此，為避免溫降所引起的質(zhì)量缺陷，在模具本體的外側(cè)壁上設(shè)置保溫層，一方面對坯料進行保溫，防止閉式鐓粗過程中的熱量散失過快，進而減少鍛造開裂的風險；另一方面，模具本體內(nèi)外溫度相對穩(wěn)定，有利于保護模具，減少模具開裂風險。

4.4 套筒設(shè)計

套筒為中空的柱狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑與模具本體的外徑相匹配。在實際生產(chǎn)過程中，對于20～50t級的初始圓餅坯料可采用圖2所示結(jié)構(gòu)，可以提高坯料脫模的便捷性，但當初始圓餅坯料大于50t以后，通過鎖緊裝置固定的模具本體難以承受巨大變形所產(chǎn)生的壓力，因此，如圖3所示，在模具本體外添加外置套筒，以增加模具本體的抗壓強度。等初始圓餅坯料完成閉式鐓粗后，將整副模具及其內(nèi)的坯料起吊至旁邊工位上放置的一定高度的頂桿上，將模具本體及其內(nèi)的坯料從套筒中向上頂起一定高度，隨后再用天車將模具本體及坯料從套筒中吊出，隨后即可進行脫模處理。

5 結(jié)論

大型金屬鍛件增材制坯技術(shù)作為顛覆性技術(shù)，其所需的大噸位初始圓餅坯料利用閉式鐓粗方式進行生產(chǎn)，在高溫、高壓等作用下對模具有很高的要求。模具的合理設(shè)計，可有效提高坯料成型效果，滿足后續(xù)智能化、數(shù)字化加工需求。

（1）根據(jù)初始圓餅坯料的重量等級，將模具分成兩種形式，并根據(jù)坯料實際情況設(shè)計壁厚，以確保承壓安全。

（2）模具本體采用開合式設(shè)計，并合理匹配保溫層、外套筒等，可有效保障坯料成型與脫模。

（3）模具本體內(nèi)壁合理設(shè)計凹槽，有助于坯料成型及凸起的形成，保障后續(xù)運輸與加工。