合理選擇大截面鍛件FM拔長時的砧型、砧寬比和壓下量

李 姣 王敬禹 劉建紅 徐明昊 劉 穎

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457)

FM法即中心無拉應力鍛造法，所用砧型為上平砧、下平臺。由于不對稱的砧型配置，鍛壓坯料內(nèi)部產(chǎn)生不對稱變形，心部拉應力位置下移，這樣鋼錠心部缺陷較多的部位將避開拉應力的破壞作用[1]，在鍛造過程中有利于鋼錠心部孔洞缺陷的鍛合。因其具有變形壓下量小、變形范圍區(qū)較大的優(yōu)點，因而在鍛造拔長工藝中被廣泛使用[2]。

FM法不足之處是鍛件不對稱變形導致外形產(chǎn)生翹曲。如果材料塑性較差，單砧變形壓下量較大時鍛件表面容易產(chǎn)生裂紋和折傷，直接影響鍛件質(zhì)量[3]。而且實心鍛件橫截面積有日漸增加的趨勢，目前最大截面直徑達到?3 000 mm左右。大截面鋼錠在凝固過程中極易在鋼錠心部產(chǎn)生嚴重的成分偏析、夾雜、氣體、縮孔和疏松等原始缺陷，若不能有效消除這些原始缺陷，就會造成鍛件報廢，帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此選擇合理的砧型、砧寬比和壓下量來壓實鍛件心部缺陷顯得尤為重要。

本文通過對比不同砧型、砧寬比和壓下量對鍛件心部等效應變值的影響，得出更適合大截面鍛件FM拔長的工藝參數(shù)。

1 建立有限元模型

坯料尺寸為3 500 mm×3 800 mm。分別選取1 500 mm(砧寬比0.4)、1 800 mm(砧寬比0.5)、2 100 mm(砧寬比0.6)、2 400 mm(砧寬比0.7)四種砧寬；砧型為無錐面、單錐面、雙錐面三種；壓下量取10%、15%、20%、25%四種。分別為三種砧型取代號A、B、C(下文同)，其形狀示意圖如圖1所示。坯料的材質(zhì)選擇30CrNiMo8，參考溫度為1 250℃，砧子材料為H-13，砧子與坯料間摩擦系數(shù)為0.7。

2 不同砧型的對比

2.1 三種砧型單砧壓下時等效應力對比

在相同的砧寬比和壓下量下，對比A、B、C三種砧型單砧壓下時鍛件心部等效應力值。以A砧型為例，單砧壓下時坯料等效應力分布如圖2所示。分別提取三種砧型單砧壓下后鍛件心部P1～P7點的等效應力值列入表1。從表1可以看岀，單砧壓下時，三種砧型所對應的鍛件心部等效應力值相同或者相差甚微?？梢?，砧型對鍛件心部等效應力的分布沒有太大影響。

圖1 A、B、C三種砧型示意圖Figure 1 Schematic diagram of three anvil types

圖2 A砧型單砧壓下時等效應力分布圖 圖3 A砧型單砧壓下時等效應變分布圖

Figure 2 The equivalent stress distribution map of Figure 3 The equivalent strain distribution map of A anvil type after single anvil pressing A anvil type after single anvil pressing

2.2 三種砧型單砧壓下時等效應變對比

在相同的砧寬比和壓下量下，對比A、B、C三種砧型單砧壓下時鍛件心部的等效應變值。同樣以A砧型為例，單砧壓下時坯料等效應變分布如圖3所示。分別提取三種砧型單砧壓下時鍛件心部P1～P7點的等效應變值并繪制岀圖4。由圖4可以看岀，單砧壓下時，三種砧型對應的鍛件心部等效應變值相差不大?？梢?，砧型對鍛件心部等效應變分布幾乎沒有影響。

2.3 三種砧型對鍛件表面質(zhì)量的影響

大型鍛件在拔長過程中，當壓下量較大且滿砧進給時，在相鄰的前后兩砧之間容易產(chǎn)生漏壓區(qū)，導致折傷。圖5示意了三種砧型漏壓區(qū)壓平前后鍛件表面質(zhì)量的對比情況。A砧型兩砧之間的漏壓區(qū)在后續(xù)壓平時容易形成折傷。B砧型漏壓區(qū)較A砧型容易壓平。C砧型由于砧子兩邊帶有錐面，兩砧之間的漏壓區(qū)壓平后表面質(zhì)量最好。因此，從減輕折傷的角度考慮，C砧型較好一些。

3 不同砧寬比的對比

3.1 單砧壓下時坯料心部等效應變對比

表1 三種砧型單砧壓下時7點等效應力值Table 1 The equivalent stress values of 7 points after single anvil pressing for three different anvil types

圖4 三種砧型單砧壓下時等效應變值對比Figure 4 The comparison of equivalent strain values after single anvil pressing for three different anvil types

以C砧型為例，單砧壓下時，對比砧寬比從0.4增加到0.7時鍛件心部等效應變變化情況。圖6為砧寬比0.4時鍛件心部的等效應變分布圖。分別提取四種砧寬比單砧壓下后鍛件心部P1～P5點的等效應變值繪制出圖7a。由圖7a可以看岀，隨著砧寬比的增加，鍛件心部等效應變值也隨著增大。圖7b以砧寬比為橫坐標，可以看岀砧寬比從0.4增加到0.6時，等效應變增幅較大；從0.6增加到0.7時，等效應變值增幅趨緩。根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況可知，當砧寬過大時，砧子與坯料間接觸面積增大，摩擦力過大，坯料要產(chǎn)生相同的變形需要的壓力較大，但受到水壓機壓力的限制，砧寬并不是越大越好。綜合考慮，砧寬比選擇0.6比較合適。

ABC

圖5 A、B、C三種砧型漏壓區(qū)壓平前后表面質(zhì)量對比

Figure 5 The comparison of surface qualities before and after missing compacted area being flattened for three different anvil types

圖6 砧寬比0.4單砧壓下時等效應變分布Figure 6 The equivalent strain distribution map after single anvil pressing when anvil width ratio is 0.4

3.2 壓完6道次后坯料心部等效應變對比

以C砧型為例，壓完6道次后，對比砧寬比從0.4增加到0.7時鍛件心部等效應變變化情況。砧寬1 500 mm(砧寬比0.4)6道次后鍛件心部等效應變值分布如圖8所示。分別提取四種砧寬比6道次后鍛件心部P1～P11點的等效應變值繪制出圖9。由圖9可以看岀，砧寬比從0.4增加到0.6時，鍛件心部等效應變值隨著砧寬比的增加而增加。砧寬比0.6時，鍛件心部等效應變值最大。但2 400 mm砧寬時反倒應變值最小。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，砧寬比大于0.6時，鍛件心部等效應變值反倒隨著砧寬比的增加而減小。這是因為坯料長3 800 mm，對于2 400 mm砧寬來說，壓完第一個道次只需要兩砧，而1 500 mm砧寬壓完第一個道次需要三砧。以此類推，在后續(xù)道次壓實過程中1 500 mm砧寬所需的砧數(shù)較多，等效應變值累積也較大。而2 400 mm砧寬雖然單砧壓下時應變值較大，但因為壓完6個道次所需要的砧數(shù)少，其累積效果較差。而且，砧子越寬，坯料的展寬程度越大，越不利于坯料的拔長。綜合考慮，砧寬比選擇0.6較合適。

圖7 四種砧寬比單砧壓下時等效應變值對比Figure 7 The comparison of equivalent strain values with four anvil width ratios after single anvil pressing

圖8 砧寬比0.4壓完6道次后等效應變分布Figure 8 The equivalent strain distribution map after pressing six times when anvil width ratio is 0.4

圖9 四種砧寬比壓完6道次后等效應變值對比Figure 9 The comparison of equivalent strain values with four anvil width ratios after pressing six times

4 不同壓下量的對比

以C砧型、砧寬比0.6為例。單砧壓下時，對比壓下量10%、15%、20%、25%四種情況下鍛件心部等效應變值大小。壓下量20%時鍛件等效應變分布見圖10。分別提取四個壓下量下鍛件心部5個點的等效應變值并繪圖11。可以看岀，鍛件心部等效應變值隨著壓下量的增加而增大。當壓下量為10%時，鍛件心部變形不明顯。隨著壓下量的增大，變形區(qū)逐漸深入心部。當壓下量達到25%時，鍛件心部變形已非常大。可見，壓下量越大越有利于鍛件心部的壓實。但是受到水壓機壓力的限制，實際能達到的壓下量是有限的。而且根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，壓下量太大的話，坯料的展寬程度太大，不利于坯料的拔長，且容易使鍛件表面產(chǎn)生折傷和裂紋。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，合理的壓下量應該控制在15%～22%之間。

圖10 壓下量20%時鍛件心部等效應變分布Figure 10 The equivalent strain distribution of forging center when reduction is 20%

圖11 不同壓下量下鍛件心部等效應變值對比Figure 11 The comparison of equivalent strain values with different reductions for forging center

5 結(jié)論

(1)A、B、C三種砧型對壓實鍛件心部缺陷的作用相差不大。從表面質(zhì)量考慮，C砧型有利于相鄰兩砧之間漏壓區(qū)的壓平，不容易產(chǎn)生折傷，表面質(zhì)量較好。

(2)隨著砧寬比的增加，鍛件心部等效應變值也隨著增大。砧寬比從0.4增加到0.6時，鍛件心部等效應變值增加幅度比較大，但隨著砧寬比繼續(xù)增加，鍛件心部等效應變值增加幅度趨緩。砧寬比大于0.6時，雖然單砧壓下的等效應變值較大，但因為壓完6個道次所需要的砧數(shù)較少，不利于等效應變值的積累，最終鍛件心部等效應變值反倒最小。因此，選擇2 100 mm砧寬(砧寬比0.6)比較合適。

(3)隨著壓下量的增加，鍛件心部等效應變值也在增大。但壓下量過大容易使鍛件表面產(chǎn)生裂紋和折傷，而且受水壓機壓力的限制，壓下量不是無限增大的。結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況，把壓下量控制在15%～22%之間比較合理。

[1] 中國機械工程學會鍛壓學會．鍛壓手冊．北京：機械工業(yè)出版社，2002．

[2] 曹起驤，江松，等.FM鍛造工藝高溫云紋法模擬研究.大型鑄鍛件.1987,(2)：14-23.

[3] 張景利，王少鵬，等.FM法拔長工藝中合理砧寬比和變形量研究.大型鑄鍛件.2010,3(2)：5.