鍛造工藝軟件套裝
——基于新穎工藝模型的先進(jìn)徑向鍛造道次設(shè)計技術(shù)

文/Martin Wolfgarten 博士，F(xiàn)rederik Knauf 博士·西馬克集團(tuán)公司

徑向鍛造(圖1)是一種高效的金屬成形工藝，其中工件由周圍的四個鍛造錘頭施加變形力，從而變形到預(yù)期的最終形狀。徑向鍛造除了要達(dá)到一定的最終幾何形狀外，還要達(dá)到良好的力學(xué)性能，這必須通過適當(dāng)選擇鍛造參數(shù)來保證。

徑向鍛造的主要目標(biāo)可歸納為：

⑴最大的工藝效率，縮短鍛造時間和節(jié)約能源，避免二次加熱；

⑵改善顯微組織，確保工件的心部和表面有足夠的變形，以獲得細(xì)晶粒組成的再結(jié)晶顯微組織；

⑶封閉鑄件的氣孔和空隙，封閉和焊合內(nèi)部氣孔，防止形成裂紋。

西馬克集團(tuán)的液壓徑向鍛造機(jī)SMX(圖2)已經(jīng)有30 多年的成功經(jīng)驗(yàn)，其中SMX 的特點(diǎn)是，四個鍛造錘頭是由液壓驅(qū)動的，與傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)相比，液壓驅(qū)動在鍛造過程和工件質(zhì)量方面具有顯著的優(yōu)勢，即在每個鍛造缸的整個行程中都可以獲得充足的鍛造力。因此，可以獲得良好的鍛透性，因鍛造錘頭的動作可控，可獲得靈活的鍛造策略。

圖2 工作中的液壓徑向鍛造機(jī)

一般來說，徑向鍛造適用于各種各樣的材料，其中包括以下最適合的材料類別：碳鋼，例如C45；回火鋼，例如42CrMo4(AISI 4140 或1.7225)；不銹鋼，例如X5CrNi18-10(AISI 304 或1.4301)；熱作工具鋼，例如X38CrMoV5-1(AISI H11 或1.2343)；冷作工具鋼，例如X155CrVMo121(AISI D2 或1.2379)；鎳基合金，例如Inconel 718(N07718 或2.4668)；鈦，例如Ti-6-4(ASTM 5 級)。

由于材料成本，特別是鎳基合金和鈦的鍛造，需要詳細(xì)的工藝設(shè)計和鍛造操作的精確執(zhí)行。徑向鍛造的最終幾何形狀主要是圓形棒材，以及矩形截面材料和階梯軸。

鍛造工藝軟件套裝——徑向鍛造道次設(shè)計的新方法

由于西馬克集團(tuán)的技術(shù)目標(biāo)是支持客戶從道次表計算到材料性能優(yōu)化，現(xiàn)有的工藝軟件ComForge?整合成了鍛造工藝軟件套裝，它涵蓋了ComForge?的所有擴(kuò)展功能，如：ComForge?道次表計算器、ComForge?道次表分析器、ComForge?性能預(yù)測器。未來它的功能還將不斷完善和發(fā)展。

ComForge?道次表計算器

自30 多年前西馬克推出第一臺SMX 徑向鍛造機(jī)以來，ComForge?已被證明是一種高效而強(qiáng)大的工具，可用于創(chuàng)建道次表。ComForge?通過解決工藝設(shè)計中的主要挑戰(zhàn)，確保始終如一的高水平生產(chǎn)質(zhì)量：⑴提高生產(chǎn)效率→最好的性能；⑵最小公差；⑶具有詳細(xì)記錄的高度可重復(fù)性。

在新的鍛造工藝軟件套裝中，廣為業(yè)界熟知的ComForge?工藝軟件被重新命名為ComForge?道次表計算器。ComForge?鍛造工藝軟件套裝，內(nèi)含超過200 種材料的性能數(shù)據(jù)，可以滿足所有客戶計算鍛造道次相關(guān)的任何需求。這為工廠所有者提供了一個全面的數(shù)據(jù)庫用來編制可靠的和經(jīng)過技術(shù)驗(yàn)證的鍛造工藝。一旦工藝計算結(jié)束，道次表直接傳輸?shù)絊MX 的PLC，最后完全自動執(zhí)行鍛造過程。在這里，ComForge?道次表計算器提供了各種鍛造策略，使用不同的鍛造工具生產(chǎn)圓形、方形和矩形棒材。為了確保準(zhǔn)確預(yù)測鍛造時間和由此實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)率，設(shè)備的液壓特性作為入口參數(shù)直接整合到ComForge?道次表計算器中。ComForge?道次表計算器的圖形用戶界面見圖3。

圖3 ComForge?道次表計算器的圖形用戶界面

如今，徑向鍛造工藝的制定主要是基于操作員的經(jīng)驗(yàn)和知識，或者基于幾何形狀的道次表計算，為此西馬克提供了成熟的工藝軟件ComForge?道次表計算器。它雖然可以就鍛造道次、鍛制力和材料運(yùn)動學(xué)范疇進(jìn)行可靠的分析，但它只是對工件幾何形狀變化給出了描述，而在等效應(yīng)變或溫度應(yīng)力的分布方面，卻沒有提供任何進(jìn)一步的信息。

另一方面，因?yàn)殄懺爝^程通常包括多達(dá)數(shù)百個成形步驟，采用有限元法對自由鍛成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬是復(fù)雜的，需要大量的數(shù)值計算工作和具有專業(yè)技術(shù)知識的人員，并且非常耗時。因此，徑向鍛造的工藝設(shè)計通常非常耗時、昂貴，并導(dǎo)致道次表存在過大的安全裕度，例如關(guān)于加熱溫度設(shè)得過高，導(dǎo)致利潤降低。

為了克服這一挑戰(zhàn)，并改進(jìn)徑向鍛造工藝，西馬克集團(tuán)在此提出了新開發(fā)的軟件ComForge?性能預(yù)測器，該軟件能夠在幾秒鐘內(nèi)就給定的道次表進(jìn)行溫度和變形計算。

ComForge?道次表分析器

在鍛造操作過程中，計劃的道次表與實(shí)際鍛造操作之間可能會出現(xiàn)偏差，例如，由于合金成分的偏差，導(dǎo)致設(shè)備操作人員調(diào)高了鍛造力或手工操作。道次表分析器，用于分析SMX 記錄的過程數(shù)據(jù)(例如速度、位置、力等)，以識別這些偏差。接下來，將這些偏差與預(yù)期的道次表進(jìn)行比較，以檢查是否對材料性能產(chǎn)生了關(guān)鍵影響。

ComForge?性能預(yù)測器——先進(jìn)的工藝建模

性能預(yù)測器，作為我們鍛造工藝軟件套裝ComForge?的一個模塊，是我們開發(fā)的先進(jìn)工藝模塊，允許對材料特性進(jìn)行的詳細(xì)的鍛造過程計算和分析:工件截面應(yīng)變分布的計算與可視化；考慮輻射、對流、工具接觸和通過邊界散熱等因素的截面溫度分布計算。

溫度計算：溫度模擬的原理(圖4)是基于有限差分法(FDM)。工件被劃分為如圖4 所示的節(jié)點(diǎn)。對于每個節(jié)點(diǎn)，使用顯式有限差分格式計算溫度，考慮：⑴輻射、對流、鍛造時因工具接觸而冷卻；⑵內(nèi)在能量轉(zhuǎn)化，如變形加熱；⑶變形/等效應(yīng)變計算。確保足夠大的變形，特別是在坯錠的心部，對材料質(zhì)量非常重要。

圖4 溫度模擬原理

在徑向鍛造中，應(yīng)變分布主要受以下參數(shù)的影響：

延伸率λ=(d20)/(d1)2、操作機(jī)每次擊打進(jìn)給量(MFD)、轉(zhuǎn)向角(α)。

在計算中，應(yīng)變分布是基于一個分析函數(shù)來描述的，上述所有參數(shù)都被充分考慮在內(nèi)。在半徑上的變形進(jìn)程可以應(yīng)用到整個截面的計算。工藝軟件包含了上文中提到的所有鋼種的應(yīng)變模型，其他材料組或合金也可根據(jù)需求添加。

⑴ComForge?道次表計算器配合ComForge?性能預(yù)測器使用帶來的收益。

ComForge?性能預(yù)測器被設(shè)計為獨(dú)立的工藝解決方案，但也可直接與ComForge?道次表計算器結(jié)合使用，因此對于使用ComForge?道次表計算器設(shè)計的任何道次表，溫度和應(yīng)變分布都可以在幾秒鐘內(nèi)得到評估。

⑵ComForge?性能預(yù)測器應(yīng)用案例。

先進(jìn)的工藝設(shè)計：在工藝設(shè)計階段，對ComForge?道次表計算器計算的任何一道工序，都可以詳細(xì)分析應(yīng)變和溫度，以檢查所設(shè)計的鍛造工藝是否滿足應(yīng)變和溫度的所有要求。ComForge?性能預(yù)測器很方便員工培訓(xùn)，因?yàn)樗梢灾苯釉u估不同鍛造參數(shù)對工件質(zhì)量的影響。與ComForge?道次表計算器一起，ComForge?性能預(yù)測器可以廣泛應(yīng)用于工藝優(yōu)化。計算后，道次表被用作ComForge?性能預(yù)測器的輸入數(shù)據(jù)，如圖5 所示?；谶@些知識，鍛造工藝工程師可以對道次表進(jìn)行調(diào)整，然后評估修改鍛造參數(shù)對內(nèi)部應(yīng)變和溫度應(yīng)力分布的影響。

圖5 鍛造工藝軟件套裝ComForge?的工作原理，從工藝分析到材料性能優(yōu)化

⑶ComForge?性能預(yù)測器的其他優(yōu)勢。

無需專門的FEM 有限元模擬軟件，節(jié)省了高昂的授權(quán)費(fèi)用。由于鍛造工藝軟件套裝的全面集成，ComForge?內(nèi)部各模塊之間可以進(jìn)行直接簡單的數(shù)據(jù)傳輸，可由工藝工程師完成，而不需要仿真專家。由于應(yīng)變和溫度的快速建模，模擬時間非常短(小于1分鐘)。

⑷ComForge?性能預(yù)測器應(yīng)用案例——過程質(zhì)量。

在設(shè)計Inconel 718 的新鍛造道次時，會出現(xiàn)以下問題：

①是否有可能一火鍛造，還是需要重新加熱鑄錠?

②心部絕熱溫度上限多少，才能防止出現(xiàn)臨界晶粒生長？

鍛造參數(shù)：材料Inconel 718，起鍛幾何尺寸φ450mm×1500mm，終鍛幾何尺寸φ200mm×7594mm，爐內(nèi)溫度1100℃。

首先利用ComForge?道次表計算器，采用ComForge?鍛造工藝軟件套裝和Inconel 718 的常用鍛造參數(shù)，獲得建議的道次表見表1(取決于設(shè)備參數(shù))。

表1 Inconel 718 鍛造道次表(不含精整的過程時間：330 秒)

下一步，使用ComForge?性能預(yù)測器計算心部和表面的溫度分布，結(jié)果如圖6 所示。由于精整操作變形量小，不予考慮?？梢钥吹?，所選擇的道次表將導(dǎo)致工件心部的絕熱溫度劇烈上升，達(dá)到1145℃。這超過了1130℃——這種材料可接受的最大變形溫度，會導(dǎo)致臨界晶粒生長和力學(xué)性能較差的高風(fēng)險。

圖6 ComForge?性能預(yù)測器首次計算后的心部和表面溫度

因此，可將道次表(表2)通過鍛造工藝軟件套裝ComForge?略作調(diào)整。為了減少絕熱溫升，每道次延伸率略微降低到平均每道次1.25。由于延伸率的減小會導(dǎo)致加工時間的增加，因此考慮到相同的設(shè)備參數(shù)，操作機(jī)平均進(jìn)給量增加到每次60mm，以實(shí)現(xiàn)相同的加工時間。

表2 Inconel 718 鍛造改進(jìn)道次表(不含精整的過程時間：330 秒)

再次使用ComForge?性能預(yù)測器對溫度進(jìn)行分析，如圖7 所示，其中最高溫度現(xiàn)在可以保持在臨界值以下，大大降低了臨界晶粒生長的風(fēng)險。

圖7 ComForge?性能預(yù)測器再次計算后的心部和表面溫度

總的來說，這個例子展示了ComForge?性能預(yù)測器在徑向鍛造工藝設(shè)計中的應(yīng)用。應(yīng)用鍛造工藝軟件套裝ComForge?的道次表計算器和ComForge?性能預(yù)測器來提高工藝盈利能力。除了工件質(zhì)量外，ComForge?道次表計算器和ComForge?性能預(yù)測器配合使用，還可以提高與徑向鍛造工藝盈利能力直接相關(guān)的效益。對于高附加值的材料如鈦或鎳基材料，工件質(zhì)量的優(yōu)化，是最關(guān)鍵的；對于廣泛的材料等級，工藝效率是最重要的性能指標(biāo)。

對于道次表，盈利能力主要受到兩個方面的影響：⑴鍛造時間決定產(chǎn)能；⑵所需鍛造溫度決定加熱成本。

ComForge?性能預(yù)測器與ComForge?道次表計算器配合，可針對這些特別的參數(shù)，進(jìn)行道次表的詳細(xì)分析和設(shè)計。

應(yīng)用實(shí)例——工藝盈利能力

對采用鍛造力為18MN 的SMX 鍛造AISI 304 不銹鋼的工藝，進(jìn)行了以下分析。

鍛造參數(shù)：材料AISI 304，起鍛幾何尺寸φ500mm×1500mm，終鍛幾何尺寸φ250mm×6000mm，爐內(nèi)溫度1200℃。

AISI 304 鍛造的適用溫度范圍是880 ～1250℃。根據(jù)這些輸入?yún)?shù)，進(jìn)行道次表計算(表3)，得到的工藝過程如下。

表3 AISI 304 鍛造道次表(加工時間：354 秒)

當(dāng)使用ComForge?性能預(yù)測器分析道次表時，可以發(fā)現(xiàn)在第六道次后，表面溫度仍然高達(dá)975℃，而距離表面1/4 直徑處的內(nèi)部溫度甚至超過1050℃。這清楚地表明，鍛件溫度遠(yuǎn)在工藝窗口之內(nèi)，可考慮降低爐溫。

接下來將爐溫降低到1080℃。雖然道次表保持不變，但由于需要更高的鍛造力，加工時間略微增加到378 秒。使用ComForge?性能預(yù)測器分析，顯示以下結(jié)果(考慮相同的設(shè)備參數(shù))：表面溫度890℃；距離表面1/4 直徑處的內(nèi)部溫度960℃。

盡管初始溫度降低，仍然可以確保鍛件處于合理的工藝溫度范圍。所以，可以降低初始溫度，從而節(jié)省加熱成本。這一實(shí)例說明，將道次計算和工藝模型相結(jié)合，可以提高經(jīng)濟(jì)效益。

將該實(shí)例應(yīng)用到年產(chǎn)能為20000 噸/年的徑向鍛造機(jī)上，取決于當(dāng)?shù)氐某杀疽蛩?，每年可?jié)約能源成本約為5 萬歐元。此外，假設(shè)每年生產(chǎn)10000 件鍛件，可減少CO2排放130t，以達(dá)到更好的可持續(xù)生產(chǎn)水平。

結(jié)束語

本文介紹了新開發(fā)的ComForge?鍛造工藝軟件套裝中的工藝模型ComForge?性能預(yù)測器。ComForge?性能預(yù)測器，能夠在數(shù)秒鐘內(nèi)模擬徑向鍛造任何給定的道次表的溫度和應(yīng)變分布。歷史上第一次，可在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用上，根據(jù)鑄錠材料狀態(tài)，開展鍛造工藝設(shè)計。結(jié)合道次表計算，可以根據(jù)最終工件性能，優(yōu)化鍛造道次，例如分析關(guān)鍵工藝條件，如鎳基合金心部的絕熱溫升。除了優(yōu)化工件質(zhì)量外，先進(jìn)的工藝軟件ComForge?性能預(yù)測器，可確保工廠經(jīng)營者獲得顯著的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

未來，西馬克集團(tuán)將進(jìn)一步開發(fā)鍛造工藝軟件套裝ComForge?的功能，讓性能預(yù)測器與材料微觀組織計算相結(jié)合，以便直接計算和優(yōu)化徑向鍛造的微觀組織。這個功能在鍛造工藝軟件套裝中，將被冠以ComForge?性能優(yōu)化器的名字。此外，將這些模型與徑向鍛造機(jī)的控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以在線分析徑向鍛造時材料的溫度、應(yīng)變和微觀組織。