FM法拔長(zhǎng)工藝中合理砧寬比和變形量研究

張景利 王少鵬 馬慶賢

(1. 中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司，黑龍江161042；2. 清華大學(xué)機(jī)械工程系先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

FM法(Free from Mannesmann Effect)即中心無(wú)拉應(yīng)力鍛造法，具有變形壓下量小、變形范圍區(qū)較大的優(yōu)點(diǎn)，因而在鍛造拔長(zhǎng)工藝中被廣泛使用。特別是在鋼錠高徑比較小的短粗鋼錠中，直接依靠拔長(zhǎng)“鍛透”的作用，能夠起到減少前一工序鐓粗壓下量，甚至取消鐓粗的作用。其不足之處是采用FM法拔長(zhǎng)時(shí)鍛件外形產(chǎn)生翹曲，如果材料塑性較差，單砧變形壓下量較大時(shí)鍛件表面容易產(chǎn)生裂紋，直接影響了鍛件質(zhì)量。

因此，如果能夠充分利用FM法拔長(zhǎng)工藝的特點(diǎn)，確定合理的砧寬比和壓下量的范圍以及合理的布砧方式，既能避免鍛件表面出現(xiàn)裂紋，又能保證整個(gè)鍛件“鍛透”，這對(duì)于保證鍛件產(chǎn)品質(zhì)量、縮短工藝流程具有重要的作用[1]。

為此，將采用模擬技術(shù)研究FM法拔長(zhǎng)工藝，以期得到較為合理的砧寬比和壓下量等工藝參數(shù)，為制定鍛造工藝提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

塑泥和鉛是兩種常用于模擬熱鍛成形的材料，可以在常溫條件下模擬鋼在高溫時(shí)的塑性變形。模擬試件和砧子尺寸按照實(shí)際生產(chǎn)情況成比例縮小。制做好的塑泥和鉛試件，按照不同的砧寬比(如圖1中所示砧寬W和料高H之比)和不同的壓下率(ε=(H0-H1)/H0×100%)模擬鍛造成形。實(shí)驗(yàn)采用砧寬比W/H分別為0.45、0.60、0.75和0.9，分別按照壓下率8%、14%和20%進(jìn)行單砧合模擬工藝變形，剖分面上網(wǎng)格尺寸為3 mm×3 mm。觀察試件表面情況，根據(jù)變形后網(wǎng)格變化情況計(jì)算剖分面上的塑性變形分布規(guī)律。

圖1 FM鍛造法示意圖Figure 1 The sketch for FM method

2 FM法單砧拔長(zhǎng)變形分析

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，砧寬比W/H為0.75和0.9，壓下率為14%和20%時(shí)，塑泥試件與上砧接觸面外緣表面產(chǎn)生了明顯的裂紋，并且裂紋隨著壓下率的增加而增大，如圖2所示。

當(dāng)砧寬比為0.6時(shí)，即使壓下量達(dá)到20%，試件表面上也沒有裂紋出現(xiàn)。對(duì)比工廠實(shí)際情況可知，裂紋產(chǎn)生方式、相對(duì)大小及位置與之非常相似。而采用鉛試件進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于鉛試件材料塑性較好，在試件表面沒有觀察到裂紋產(chǎn)生。

對(duì)比各種成形參數(shù)可知，試件表面產(chǎn)生裂紋的原因是由于試件與上砧接觸外緣處發(fā)生了較大的變形，形成較大的拉應(yīng)力所致。隨著砧寬比和壓下率增大，塑泥試件表面裂紋產(chǎn)生愈加明顯。這與FM法拔長(zhǎng)時(shí)，鍛件發(fā)生翹曲現(xiàn)象受力狀況相一致。由此可以斷定，砧寬比和變形壓下量的大小直接影響著鍛件表面裂紋產(chǎn)生情況。

(a)壓下率14%(b)壓下率20%圖2 塑泥試件表面的裂紋Figure 2 The surface crack in test piece of plastic clay

采用50 mm×50 mm×120 mm的鉛試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用寬30 mm(砧寬比為0.6)的鋼材料砧子，分別按照壓下率14%和20%進(jìn)行變形。變形后試件心部截面上的網(wǎng)格變化情況如圖3所示，計(jì)算得到變形前試件截面上等效應(yīng)變分布如圖4所示。

由圖3和圖4可知，由于不對(duì)稱的上下砧型，鍛壓坯料內(nèi)部變形不對(duì)稱。砧子下面存在著明顯的剛性區(qū)，且剛性區(qū)隨著砧寬增加而增大，大變形區(qū)呈V狀分布，等效應(yīng)變最大處出現(xiàn)在鍛件心部偏上部位。當(dāng)砧寬比相同時(shí)，試件變形位置隨壓下率增大而向下半部延伸。當(dāng)壓下率為8%時(shí)，試件心部變形不明顯。當(dāng)壓下率達(dá)到14%時(shí)，變形區(qū)逐步向心部深入。而當(dāng)試件的壓下率相同時(shí)(14%和20%)，隨著砧寬比的增大，變形區(qū)逐步在心部擴(kuò)大，變形不均勻程度降低。當(dāng)砧寬比一定時(shí)，隨著壓下量的增大，砧下剛性區(qū)改善并不明顯，剛性區(qū)沒有縮小。而V狀大變形區(qū)隨著壓下量增大而展寬，變形區(qū)和等效應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

(a)壓下率14%(b)壓下率20%圖3 砧寬比0.6時(shí)鉛試件心部網(wǎng)格變形情況Figure 3 The center gridding distortion of lead test piece with the width ratio of anvil about 0.6

由此可知，砧寬比和壓下率大時(shí)有利于擴(kuò)大變形區(qū)，但容易使鍛件表面產(chǎn)生裂紋。前期研究已知，砧寬比在0.6左右時(shí)FM法壓下率達(dá)到14%后已能保證空洞壓實(shí)。因此，在制定工藝時(shí)，應(yīng)綜合考慮砧寬比和壓下率范圍。對(duì)于塑性較差的材料，如鋼錠直接拔長(zhǎng)，容易產(chǎn)生裂紋的材料316LN等，建議砧寬比選擇在0.6左右，壓下率在14%至20%之間。

3 FM法連砧拔長(zhǎng)變形效果

鍛件成形需要將單砧變形進(jìn)行合理的組合才能保證質(zhì)量。單砧變形效果能否有效組合并發(fā)揮作用是確定其工藝參數(shù)合理與否的重要依據(jù)。為此制定了模擬鍛造工藝以研究其綜合效果。模擬工藝翻轉(zhuǎn)90°-180°-270°錯(cuò)半砧連砧拔長(zhǎng)。首先對(duì)試件上表面壓第一趟次，單面壓下率為14%，滿砧進(jìn)給。之后將試件翻轉(zhuǎn)90°，壓第二趟次，同樣，單面壓下率為14%，滿砧進(jìn)給。之后將試件再翻轉(zhuǎn)90°，單面壓下率為14%，與第一趟次錯(cuò)半砧，滿砧進(jìn)給。最后再翻轉(zhuǎn)90°，單面壓下率14%，與第二趟次錯(cuò)半砧，滿砧進(jìn)給。變形后試件心部對(duì)稱面上的網(wǎng)格變形情況如圖5所示，計(jì)算得到等效應(yīng)變分布如圖6所示。

(a)壓下率14% (b)壓下率20%圖4 砧寬比0.6時(shí)試件心部等效應(yīng)變分布圖Figure 4 The sketch for the center equivalent strain distribution of test piece with the width ratio of anvil about 0.6

(a)垂直對(duì)稱子午面上半面(b)水平對(duì)稱子午面圖5 FM法連砧拔長(zhǎng)壓兩面后試件心部變形圖Figure 5 The sketch for the center deformation of test piece after stretched and pressed two side with FM method

(a)垂直對(duì)稱子午面上半面(b)水平對(duì)稱子午面圖6 FM法連砧拔長(zhǎng)壓兩面后試件心部等效應(yīng)變分布圖Figure 6 The sketch for the center equivalent strain distribution of test piece after stretched and pressed two side with FM method

由圖6可以看出，采用FM法拔長(zhǎng)時(shí)，經(jīng)過翻轉(zhuǎn)90°-180°-270°錯(cuò)半砧連砧拔長(zhǎng)的試件，心部變形量能夠達(dá)到較大，且變形分布較為均勻。由于錯(cuò)半砧的作用，使得第三趟次的大變形區(qū)發(fā)生在第一趟次的小變形區(qū)，第四趟次的大變形發(fā)生在第二趟次的小變形區(qū)。相差180°的兩個(gè)趟次之間錯(cuò)半砧，剛好可以消除彼此間的小變形區(qū)。因此，鍛件變形區(qū)分布均勻，并能有效覆蓋整個(gè)工件。

綜合塑泥和鉛試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，F(xiàn)M法拔長(zhǎng)工藝具有壓下量小，而鍛件心部變形量大的特點(diǎn)，并通過后續(xù)FM法拔長(zhǎng)能夠保證鍛件“鍛透”，適合于減少拔長(zhǎng)前鐓粗工序的變形量，甚至取消鐓粗的工藝。

根據(jù)上述結(jié)果，在生產(chǎn)某重要鍛件時(shí)，取消了第一火鐓粗工藝，采用FM法直接拔長(zhǎng)，產(chǎn)品性能達(dá)到了預(yù)期效果。而由于冶煉工藝的改進(jìn)，越來(lái)越多地采用短粗鋼錠以減少鑄造偏析程度，F(xiàn)M法拔長(zhǎng)工藝對(duì)于取消第一次鐓粗工序的經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

4 結(jié)論

(1)為避免鍛件表面產(chǎn)生裂紋，建議使用FM法拔長(zhǎng)工藝時(shí)砧寬比選擇在0.6左右，壓下率在14%至20%之間。

(2)FM法拔長(zhǎng)具有壓下量小，鍛件心部變形量大的特點(diǎn)。通過合理布砧，能夠保證鍛件得到足夠的塑性變形量，有利于減小拔長(zhǎng)前鐓粗壓下量，甚至能夠取消鐓粗工序。

[1] 王少鵬.百萬(wàn)千瓦核電低壓轉(zhuǎn)子FM法鍛造工藝模擬.清華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009，12.

[2] 李尚建，等.金屬塑性成形過程模擬.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鍛壓學(xué)會(huì).鍛壓手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.