5CrNiMo模塊鍛件拔長折疊產(chǎn)生的判據(jù)*

趙學(xué)智 范燕波 夏琴香? 呂明柯

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640;2.韶關(guān)市中機(jī)重工鍛壓有限公司，廣東 韶關(guān) 512000)

折疊是金屬變形過程中已氧化的表層金屬匯合到一起的一種現(xiàn)象［1］.在拔長鍛造過程中，當(dāng)鍛件送進(jìn)量較小而壓下量很大時，常常會出現(xiàn)鍛件上、下兩端部分金屬的局部變形，一部分金屬被壓入另一部分金屬內(nèi)，從而產(chǎn)生折疊現(xiàn)象［2-3］(如圖1所示).拔長鍛造過程中，鍛件表面折疊的深淺程度不同，如果鍛件表面折疊較淺，其對鍛件質(zhì)量的影響就較小，較淺的表面折疊也可以通過鍛后的機(jī)加工加以切除［4］;但如果鍛件表面折疊較深，其對鍛件質(zhì)量的影響非常嚴(yán)重——較深的折疊不僅會損害鍛件表面的完整性，降低鍛件表面受載荷的總面積，而且折疊本身就是一種鍛件內(nèi)部缺陷，它使得鍛件受載時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為載荷疲勞源，從而使鍛件產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂報廢［5-7］.對于5CrNiMo 模塊鍛件，由于采用了徑向十字鍛造法，其鍛造過程包含兩次拔長過程，每一次的拔長鍛造比都必須大于2，而且要充分了解鍛合鍛件內(nèi)部存在的缺陷，就必須采用大壓下量［8-9］.如果拔長鍛件的表面產(chǎn)生折疊，將對鍛件最終的成形質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，因此應(yīng)該制定合理的拔長工藝，有效地防止鍛件折疊的產(chǎn)生.

圖1 拔長過程中折疊的產(chǎn)生Fig.1 Formation of folding during the stretching

1 研究對象

文中所研究的汽車發(fā)動機(jī)曲軸用模鍛5CrNiMo模塊的尺寸為1 520 mm ×607 mm ×305 mm.根據(jù)模塊尺寸進(jìn)行鋼錠的設(shè)計，確定鋼錠重2.8 t，其尺寸為φ580 mm×1 350 mm.采用8 t 自由鍛電液錘進(jìn)行鍛打，其上下砧寬為460 mm;鍛造溫度區(qū)間為800～1200 ℃［10］.根據(jù)鋼錠重量特征，總體鍛造比需大于5 以上［11］，因此采用兩次鐓拔的徑向十字鍛造法進(jìn)行鍛造(如圖2 所示)，鐓粗鍛造比取1.8，拔長鍛造比取2［12］，總體鍛造比為7.6(大于5).

圖2 徑向十字鍛造示意圖Fig.2 Schematic diagram of axial repeated upsetting and stretching

2 有限元建模

采用ΔH 來表示壓下量，用W 來表示送進(jìn)量.根據(jù)壓下量和送進(jìn)量對鍛件表面折疊的影響規(guī)律［13］，可用壓下量和送進(jìn)量比M(M=ΔH/W)來表示壓下量和送進(jìn)量之間的關(guān)系，分析不同M 值對折疊的影響.

圖3 拔長有限元模型Fig.3 Finite element model used for stretching

分別在100、200 和300 mm 的壓下量下，根據(jù)不同的M 值建立各鍛件拔長的有限元模型(如圖3 所示).在模型中，工件材料為5CrNiMo，初始尺寸為1000 mm×600 mm ×600 mm，取1/2 對稱模型進(jìn)行模擬，上下砧均為剛性體，材料均為H-13 鋼［14］.對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以模擬溫度傳導(dǎo)，其他工藝參數(shù)如表1 所示［15］.

表1 有限元仿真的主要參數(shù)Table 1 Main parameters used for finite eleme nt simulation

3 模擬結(jié)果分析

為了準(zhǔn)確地表示折疊的產(chǎn)生和嚴(yán)重性，分別引入最大折疊角α 和折疊深度Vd作為量化指標(biāo).其中折疊角α 表示拔長過程中兩個折疊面之間的最大夾角(如圖4(a)所示)，并且規(guī)定，對于平面，α=180°，因此，通常情況下α≥180°;當(dāng)α=360°時，即已經(jīng)產(chǎn)生折疊現(xiàn)象.折疊深度Vd則表示折疊角達(dá)360°時折疊區(qū)域的垂直距離(如圖4(b)所示)，Vd越大，表示折疊程度越嚴(yán)重.

圖4 折疊程度定義示意圖Fig.4 Representation of folding extent

為了研究的方便，文中只選取ΔH=200 mm 下，M=0.6，1.0，1.4 時的情況作為典型示例進(jìn)行流線分析.拔長后鍛件的金屬流線如圖5 所示，由流線圖可以知:在較大M 值下，拔長過程中鍛件表面產(chǎn)生嚴(yán)重的折疊;而在較小的M 值下，拔長鍛件表面不會產(chǎn)生折疊.在其他條件不變的情況下，折疊的嚴(yán)重程度與M 值存在著密切的關(guān)系.

分別提取流線的折疊角和折疊深度，即根據(jù)模擬出來的金屬流線圖(圖5)對閉合流線之間的夾角和深度進(jìn)行測量.

圖5 折疊區(qū)域的金屬流線圖Fig.5 Metal flow lines of folded region

圖6 為不同壓下量下最大折疊角α 隨M 值的變化曲線.由圖可見，不同壓下量下的最大折疊角α隨M 值的變化具有相同的規(guī)律，其變化曲線基本一致.當(dāng)M ＜0.8 時，α 隨著M 值的增大呈不斷上升的趨勢;當(dāng)M 達(dá)0.8 后，α 趨近于360°;隨后，α 基本在0.8～1.0 的M 值區(qū)間達(dá)到360°(即已經(jīng)產(chǎn)生折疊);當(dāng)M＞1.0 時，α 不再變化，保持在360°.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是:在較小M 值下，拔長過程不會產(chǎn)生折疊現(xiàn)象;而隨著M 值的增大，拔長過程逐漸地趨近于產(chǎn)生折疊的臨界區(qū)間，鍛件表面的金屬流動加快，此過程中α 會一直不斷增大，并且在產(chǎn)生折疊的臨界區(qū)間達(dá)到最大值360°;M 值超過1.0后，拔長過程開始進(jìn)入折疊區(qū)域，此時α 會一直保持在最大值360°.

圖6 最大折疊角α 的變化曲線Fig.6 Variation curves of maximum folding angle α

圖7 為不同壓下量下折疊深度Vd隨M 值的變化曲線.由圖可見，在不同壓下量下，Vd隨M 值的變化存在著相似的規(guī)律，曲線的變化趨勢相近.在M值較小的階段，由于拔長過程不會產(chǎn)生折疊現(xiàn)象，因此當(dāng)M ＜0.8 時，不同壓下量下的折疊深度都為0;而當(dāng)M 達(dá)到0.8、壓下量為200 和300 mm 時，Vd開始增長，并且隨著M 值的增大而呈現(xiàn)不斷增大的趨勢;壓下量為100 mm 時，Vd在M 值達(dá)到0.9 后才開始增大，隨后也隨M 值的增大而不斷增大;不同壓下量下，Vd隨M 值增大的速度不一樣.壓下量為300 mm 時，Vd隨M 值增大的速度最快;而壓下量為100 mm 時，Vd隨M 值增大的速度最慢.究其原因，主要在于:M 值較小時，不同壓下量下的鍛件表面不產(chǎn)生折疊現(xiàn)象，Vd為0;當(dāng)M 值增大到折疊產(chǎn)生的臨界區(qū)間時，在較大的壓下量下，由于鍛件表面金屬相對流動量比較大也比較快，最先產(chǎn)生了折疊現(xiàn)象，且由于金屬流動量大，折疊區(qū)域產(chǎn)生的深度要比其他壓下量下還大，因此Vd隨M 值的增大而上升的速度最快.

圖7 折疊深度Vd 的變化曲線Fig.7 Variation curves of folding depth Vd

綜上分析，在不同壓下量下，拔長過程中鍛件表面折疊的最大折疊角α 和折疊深度Vd隨M 值的變化曲線有著相似的規(guī)律.拔長過程中鍛件表面產(chǎn)生折疊的臨界點雖然不完全一致，但都存在一個共同的臨界區(qū)間，即M 值臨界區(qū)間0.8～1.0.因此，可將0.8～1.0 這一區(qū)間作為判斷拔長過程中鍛件表面折疊產(chǎn)生的判據(jù):當(dāng)M 低于這一范圍時，鍛件表面不產(chǎn)生折疊裂紋;當(dāng)M 屬于或超出這一范圍時，鍛件表面產(chǎn)生折疊裂紋.

為了避免拔長過程中鍛件表面折疊的產(chǎn)生，壓下量與送進(jìn)量的比值ΔH/W(M)宜介于0.8～1.0之間.

4 試驗驗證

4.1 試驗設(shè)備

小試樣鐓粗試驗的加熱設(shè)備采用UNITEK/SX2-9-12 型試驗箱式電阻爐，其最高加熱溫度可達(dá)1100 ℃;鍛造設(shè)備采用C41-75 型空氣錘;砧型尺寸為65 mm(寬)×145 mm(長)，試樣鐓粗后的尺寸測量采用卡鉗和量尺相結(jié)合的方式.

4.2 鍛造試驗方案

先利用夾鉗把加熱后的5CrNiMo 圓棒料移送到空氣錘上制作拔長折疊試樣(如圖8(a)所示)，試樣規(guī)格為65 mm ×40 mm ×40 mm，然后重新把試樣加熱到1100 ℃，使鍛坯溫度均勻，再進(jìn)行拔長試驗.根據(jù)前面的分析，產(chǎn)生拔長折疊的M 值臨界點在0.8～1.0之間，鍛打試驗在壓下量ΔH=20 mm 下進(jìn)行，M 值分別取為0.6、0.8、1.0 和1.2，則相應(yīng)地取送進(jìn)量為34、26、20 和16 mm 進(jìn)行拔長鍛打，鍛打過程如圖8(b)所示.鍛打后分別觀察不同M 值下試樣表面產(chǎn)生折疊的情況.

圖8 拔長折疊試驗過程Fig.8 Experiment process of stretching-induced folding

4.3 試驗結(jié)果分析

相同壓下量下，不同送進(jìn)量(即不同M 值下)拔長后的鍛件如圖9 所示.由圖可見:當(dāng)M=0.6(W=34 mm)時，鍛件表面比較光滑和完整，沒有折疊的痕跡;當(dāng)M=0.8(W=26 mm)時，鍛件表面也比較完整，只有輕微的鍛造痕跡;而當(dāng)M=1.0(W=20 mm)時，鍛件表面已經(jīng)出現(xiàn)比較明顯的折疊現(xiàn)象;當(dāng)M=1.2(W=16 mm)時，鍛件表面的折疊現(xiàn)象最為嚴(yán)重.

由圖9 可見，M=0.8 時不產(chǎn)生折疊，M=1.0 時則產(chǎn)生折疊，因此在0.8～1.0 之間再取M=0.85和M=0.90 進(jìn)行拔長試驗，結(jié)果如圖10 所示.可見:當(dāng)M=0.85 時，拔長過程中不產(chǎn)生折疊現(xiàn)象;而當(dāng)M=0.90 時，鍛件表面出現(xiàn)了微小的折疊裂紋.

圖9 折疊試驗結(jié)果Fig.9 Results of folding experiment

圖10 M=0.85 和M=0.90 時的拔長折疊圖Fig.10 Stretching-induced folding images when M=0.85 and M=0.90

為了進(jìn)一步確認(rèn)M=0.90 時鍛件表面折疊的嚴(yán)重性，在鍛件表面折疊位置沿著鍛件縱向剖開，鍛件剖開后的平面圖如圖11 所示，鍛件表面出現(xiàn)了比較淺的折疊，其深度Vd=1.0 mm，因此，折疊產(chǎn)生的M 值臨界區(qū)間在0.85～0.90 之間.

圖11 M=0.90 時鍛件的縱向剖切圖Fig.11 Longitudinal section of forge piece when M=0.90

綜上所述，當(dāng)M ＜0.8 時，鍛件表面不會產(chǎn)生折疊現(xiàn)象;而當(dāng)M≥1.0 時，鍛件表面會產(chǎn)生明顯的折疊現(xiàn)象.這與前面根據(jù)模擬結(jié)果得出的折疊產(chǎn)生判據(jù)相吻合，從而有效驗證了拔長過程中折疊產(chǎn)生的判據(jù)的準(zhǔn)確性.

5 結(jié)論

文中通過對5CrNiMo 模塊鍛件拔長折疊的有限元模擬及實驗驗證，得到以下結(jié)論:

(1)最大折疊角α 和折疊深度Vd都隨著M 值的增大而增大.M 值越大，拔長過程中鍛件表面就越容易產(chǎn)生折疊現(xiàn)象.

(2)拔長折疊的產(chǎn)生都存在著一個共同的M 值臨界區(qū)間，即0.8～1.0.該區(qū)間可作為拔長過程中鍛件表面折疊產(chǎn)生的判斷條件:當(dāng)M 值低于該區(qū)間時，鍛件表面不產(chǎn)生折疊裂紋;而當(dāng)M 屬于或超過該區(qū)間時，鍛件表面產(chǎn)生折疊裂紋.

因此，為了避免拔長過程鍛件表面折疊的產(chǎn)生，壓下量與送進(jìn)量的比值ΔH/W 應(yīng)在0.8～1.0 的范圍內(nèi)選擇.

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