大型餅類鍛件滾圓修復過程有限元分析

王海英 門正興 周 強 陽 鶴

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

滾圓工序是水壓機自由鍛中重要的輔助鍛造工序之一，在大型餅類件的自由鍛成形過程中主要作用在兩個方面：1)消除餅類坯料鐓粗后的鼓形，使其外形更加規(guī)整，便于后續(xù)沖孔找正或減少機加工余量等；2)對于由于各種原因(黑皮、裂紋、形狀誤差等)導致高度達不到設(shè)計要求的餅類鍛件，采用滾圓工序增加鍛件高度，從而使鍛件合格。滾圓工序的一般流程是：圓餅毛坯立在平臺上，先鍛四方，再鍛八方，再鍛十六方，最后連續(xù)回轉(zhuǎn)直到外形接近圓形[1]。

1 問題的提出

采用滾圓工序增加鍛件高度的修復方法并不是適用于所有餅類鍛件，因為修復效果與鍛件的材料、外形尺寸、溫度分布、壓下量等都有很大關(guān)系。目前對于滾圓工序修復餅類鍛件的研究較少，其工藝設(shè)計及操作多依靠經(jīng)驗，導致修復質(zhì)量不穩(wěn)定。采用滾圓工序增加鍛件高度的方法成功與否關(guān)鍵在于鍛件心部高度是否增加到要求的尺寸，而鍛造過程中不同參數(shù)如溫度、下壓量、鍛件直徑及厚度、冷卻時間等對鍛件心部走料的影響尚不明確，為工藝方案的設(shè)計帶來很大困難。

2 有限元分析

為了確定不同參數(shù)對滾圓過程鍛件心部走料的影響，對鍛件滾圓過程進行了數(shù)值模擬分析，有限元模型建立如圖1所示。為簡化模擬過程，上下模設(shè)定為剛性體，不與鍛件發(fā)生熱交換。鍛件采用剛塑形模型，材料選用不銹鋼17Cr13NiMo2，直徑900 mm，高度400 mm，劃分40 000個單元。只對一次下壓過程進行分析，為使鍛件變形均勻，采用上下模具同時反向運動的模式，模具速度為5 mm/s， 設(shè)定分析步長為2.5 mm。

圖1 有限元模型Figure 1 Model of the billet and dies

3 模擬結(jié)果分析

3.1 下壓量對心部走料的影響

在1 200℃情況下，不同下壓量導致的心部外表面軸向單邊位移如圖2所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當下壓量小于80 mm，即一次下壓量小于直徑9%的情況下，變形主要發(fā)生在與模具接觸的區(qū)域，心部外表面幾乎不走料；隨著壓下量的進一步增大，鍛件塑形變形區(qū)逐漸向中心移動，中心處走料與壓下量幾乎成正比，可以用公式y(tǒng)=0.11x-9.07來表示。當下壓量達160 mm，即一次下壓量約18%的情況下，中心處軸向單邊位移為9.4 mm，相當于鍛件中心厚度增加5%左右。根據(jù)以上分析，在滾圓過程中壓下量應大于9%。

圖2 不同下壓量情況下中心處軸向位移Figure 2 Distribution of center axial displacement under different percent reduction

3.2 溫度對心部走料的影響

對不同溫度下滾圓修復過程進行模擬。圖3為850℃、900℃、1 000℃、1 100℃、1 200℃情況下，中心處外表面軸向位移情況。從圖中可以看出，隨著鍛造溫度的下降，中心處走料增加。在下壓量為150 mm，溫度為850℃時中心走料為9.5 mm；而溫度為1 200℃時，中心走料為7.1 mm。但是隨著溫度的下降，成形力將顯著增加，溫度為1 200℃和850℃，下壓量為150 mm情況下，成形力分別為7.76 MN和26.60 MN。同時，隨著溫度的下降，鍛件表面開裂的傾向增加。

3.3 鍛件直徑及高度對心部走料的影響

圖4為高度均為400 mm，而直徑不同的鍛件在下壓量為直徑15%情況下，中心處軸向走料情況。從圖中可以看出，隨著直徑的增大，中心處軸向走料逐漸減少，這是由于鍛件塑形變形區(qū)的大小在材料、溫度、變形速度一定的情況下基本保持不變，隨著鍛件直徑的增大，中心處與塑形變形區(qū)距離增大，因此塑形變形減弱；圖5為直徑為900 mm，不同高度鍛件在下壓量為直徑15%情況下，中心處軸向走料情況。隨著鍛件高度的增加，根據(jù)體積不變原理，變形區(qū)金屬增多，導致中心處軸向走料增大。鍛件高度太小情況下，大的下壓量將導致鍛件失穩(wěn)。根據(jù)以上分析，隨著鍛件直徑增大、高度減少，中心處軸向走料將減少，從而增加鍛件修復的難度。

3.4 冷卻時間對心部走料的影響

設(shè)定空氣溫度為20℃，熱對流系數(shù)為0.02 N/(s·mm·℃)，不考慮鍛件與模具之間的傳熱，將鍛件放置在空氣中空冷不同時間，在下壓量為直徑15%情況下，中心處軸向走料情況如圖6所示。從圖中可以看出，由于盤類鍛件側(cè)面比端面冷卻速度快，因此在冷卻過程中中心部位金屬塑形好于側(cè)面，所以隨著冷卻時間的增加，中心處走料增大。在冷卻30 min左右中心處走料達到峰值9.38 mm，其截面溫度分布如圖7所示。繼續(xù)冷卻，中心處走料趨于平穩(wěn)。

圖3 不同鍛造溫度下中心處軸向位移Figure 3 Distribution of center axial displacement under different temperature

圖4 鍛件不同直徑對中心處軸向位移影響Figure 4 Distribution of center axial displacement under different diameter

圖5 鍛件不同高度對中心處軸向位移影響Figure 5 Distribution of center axial displacement under different height

圖6 鍛件不同冷卻時間對中心處軸向位移影響Figure 6 Distribution of center axial displacement under different cooling time

圖7 冷卻30 min后鍛件截面溫度分布Figure 7 Distribution of temperature after 30 minute's cooling

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬方法分析了各種參數(shù)對大型餅類鍛件滾圓修復過程中心走料的影響，得到以下結(jié)論：

(1)在壓下量小于9%情況下，鍛件心部走料非常??；當下壓量增大時，中心處走料與壓下量幾乎成正比，可以用公式y(tǒng)=0.11x-9.07來表示；

(2)隨著鍛造溫度的下降，在相同壓下量情況下，心部走料增加，同時成形力大幅增加；

(3)相同壓下量情況下，增大餅類鍛件直徑，心部走料減少；增大鍛件高度，心部走料增大；

(4)隨著冷卻時間的增加，中心處走料增大，在冷卻30 min左右中心處走料達到峰值9.38 mm。

[1] 夏琴香，霍育林，單會星，等.軸類大鍛件倒棱滾圓后內(nèi)部質(zhì)量及尺寸精度研究[J].鍛壓技術(shù)，2010(2)：17-21.