核電反應(yīng)堆主管道接管芯軸拔長的模擬研究

咸業(yè)磊，高錦張，賈俐俐，王興中，馬武江

(1.東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189； 2.南京交通職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 南京 211188；3.江蘇新閔重型鍛造股份有限公司，江蘇 東臺 224200)

0 前言

大型鍛件是核電、船舶、石化等國家重型裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，技術(shù)要求高，生產(chǎn)周期長，對相應(yīng)的工藝設(shè)備以及鍛造工藝參數(shù)要求嚴格，其鍛造品質(zhì)直接影響到裝備整體運行的可靠性[1]。隨著核電能源的普遍利用和發(fā)展，大型鍛件具有廣闊的應(yīng)用前景，同時對其安全可靠性提出了更高的要求[2]。

有限元模擬是鍛造工藝研究的重要輔助手段，能夠為制定合理鍛造工藝參數(shù)提供理論依據(jù)，以指導實際鍛造生產(chǎn)。本文研究的核反應(yīng)堆主管道接管鍛件具體尺寸以及試環(huán)的截取如圖1所示。

主管道接管采用實心鋼錠鍛造，主要的鍛造變形過程由五個部分組成：1) 熱切頭尾，將鋼錠倒棱為八方柱體；2) 十字鐓拔，采用大鍛造比，擊碎粗大的鑄態(tài)組織，消除鋼錠內(nèi)部的鑄造缺陷，獲得細小的晶粒組織，改進鍛件毛坯的質(zhì)量；3) 鐓粗沖孔，采用實心沖頭沖孔；4) 芯軸拔長，為主要的成形工序；5) 立料鐓粗，消除空心鍛件的端面不平整。

圖1 核電主管道進口接管

芯軸拔長作為主要的成形工序，是為了獲得品質(zhì)均勻、外形尺寸精確的目標鍛件。合理的芯軸拔長工藝參數(shù)可以提高拔長效率，減小空心鍛件的內(nèi)孔畸變，使得鍛件組織處于三向壓應(yīng)力的狀態(tài)，并獲得均勻的應(yīng)變場。本文利用有限元軟件模擬芯軸拔長的過程，研究不同進給量、壓下量對鍛件內(nèi)部應(yīng)力場、應(yīng)變場和鍛件外形尺寸的影響。

1 芯軸拔長方案與有限元模擬

鍛造工藝中的芯軸拔長工序是局部區(qū)域承受外部載荷而產(chǎn)生塑性變形，目標鍛件的成形過程是局部變形的累積體現(xiàn)。因此，局部變形區(qū)域中合理的應(yīng)力場、應(yīng)變場和塑性變形程度，是保證目標鍛件整體質(zhì)量的前提。在模擬過程中，著重分析單個工步的塑性變形狀態(tài)。

1.1 芯軸拔長方案

芯軸拔長前，毛坯經(jīng)鐓拔、沖孔以及整形之后的尺寸為d2400×D600×1400mm，芯軸拔長之后的尺寸為d1720×D600×2780mm，分兩火完成，每一次的燒損率δ取2.1%。為了提高拔長效率，避免內(nèi)孔在拔長過程中產(chǎn)生較大的畸變，芯軸的直徑應(yīng)盡可能的接近坯料內(nèi)徑的尺寸[3]。選用上平砧下V形砧拔長，V形砧的角度為120°。

為了保證鍛件品質(zhì)的均勻性以及鍛件尺寸的精確性，在拔長過程中要按照一定的次序進行操作。芯軸拔長的操作方法主要有兩種：1) 沿軸向依次進給，軸向拔完一趟之后，芯軸連同鍛件轉(zhuǎn)過一定的角度，然后再沿軸向拔長；2) 上砧每壓下一次，鍛件轉(zhuǎn)動一次，單個進給量上壓下一周，然后沿軸向進給，再沿切向旋轉(zhuǎn)鍛造。為了防止端面開裂，選用方法2)，先拔兩端，再拔中間。

1.2 有限元模型的建立

選用DEFORM-3D有限元分析軟件進行數(shù)值模擬，有限元模型如圖2所示，在鍛造模擬過程中，上下砧以及芯軸均看做剛體，不發(fā)生塑性變形，但與環(huán)境以及坯料之間存在熱交換。模具選用完整熱傳導模式[4]，模具需進行網(wǎng)格劃分，其模擬結(jié)果的準確性相對簡單熱傳導模式而言精確度比較高。上下砧與坯料之間的摩擦系數(shù)為0.7，熱傳系數(shù)為4N/sec/mm/℃，坯料與空氣的熱傳系數(shù)為0.02 N/sec/mm/℃。

圖2 芯軸拔長有限元模型

為了研究工藝參數(shù)對鍛件品質(zhì)的影響，進給量分別取300mm、400mm、500mm、600mm、700mm，壓下量分別取10%t、15%t、20%t、25%t、30%t，其中t是空心鍛件的厚度，為890mm。研究主變形區(qū)域的變形規(guī)律以及其應(yīng)力場、應(yīng)變場。上平砧下V砧拔長時，變形主要集中于平砧與芯軸之間，因此主要分析平砧與芯軸間金屬的變形[5]。

2 變形區(qū)金屬流動規(guī)律分析

芯軸拔長時的進給量和壓下量對金屬的塑性流動方向有很大影響。當進給量和壓下量較小時，金屬多沿軸向流動，軸向的變形程度大，而橫向的變形程度小，有利于拔長。但是總的進給次數(shù)會增加，降低了拔長效率，特別是當壓下量較大時會造成表面折迭和端面內(nèi)凹等宏觀缺陷。當進給量和壓下量較大時，塑性變形區(qū)的中心部分處于三向應(yīng)力狀態(tài)下，鍛件的內(nèi)部質(zhì)量可以得到保證。而進給量和壓下量過大時，變形區(qū)會因展寬過多而降低拔長效率，同時產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力而引起開裂[6]，不難看出選擇合理的進給量和壓下量是非常必要的。

2.1 進給量和壓下量對拔長效率的影響

在主變形區(qū)域，鍛件變形后的軸向最大長度為Lmax，其初始長度為L0，定義拔長率λ=(Lmax-L0)L0。圖3為鍛件在單個工步下，拔長率與壓下率的關(guān)系圖，進給量和壓下量的變化對拔長效率有不同幅度的影響。當壓下率小于20%時，拔長率處于一個較低的水平，主要因為壓下越小，上砧與鍛件接觸區(qū)域的寬度越小，金屬沿軸向流動量小；當壓下率大于20%時，拔長率有上升較為顯著。

圖3 拔長率—壓下率關(guān)系圖

圖4截面為芯軸與上砧之間的空心鍛件子午面。從中可以看出，當進給量小于500mm，主變形區(qū)主要集中在鍛件與上砧接觸的部分，而中部以及靠近芯軸的下部變形較小，造成了端面不平整；當進給量大于等于500mm時，主變形區(qū)域的變形逐漸均勻，中部和下部的變形量增大，拔長率提高，并且降低了端面不平整度。金屬在沿軸向方向流動時，由于是局部變形，受到兩側(cè)未變形端的阻礙作用，而橫向方向未變形部分的體積相對較小，阻礙作用小。因此，在壓下率較大時，雖然拔長率也變大，但是金屬由于橫向流動而造成的展寬也變得嚴重，不利于芯軸拔長的進行。例如，當壓下率為30%，進給量為500mm時展寬造成的徑向尺寸增大量ΔR達47mm，且隨著進給量的增大展寬量增大。

因此，綜合考慮變形區(qū)金屬的塑性流動情況，應(yīng)在獲得較大拔長率的前提下，盡量減少鍛件變形的不均勻性，降低端面不平整，并抑制金屬橫向展寬過多。分析可得壓下率取20%～25%之間，進給量取500mm～700mm時，可以得到較好的變形結(jié)果。

圖4 不同進給量下鍛件內(nèi)部的變形程度

2.2 進給量和壓下率對內(nèi)孔畸變的影響

在芯軸拔長過程中，內(nèi)孔畸變是鍛件品質(zhì)缺陷的主要表現(xiàn)之一，如圖5所示。為了避免內(nèi)孔壁附近的金屬受到切向拉應(yīng)力而造成裂紋等缺陷，應(yīng)盡量減輕內(nèi)孔畸變。定義內(nèi)孔畸變率ω為ω=(dmax-d0)d0，其中dmax為畸變后內(nèi)孔徑向的最大尺寸，d0為鍛件內(nèi)孔的初始直徑。

圖5 芯軸拔長內(nèi)孔畸變示意圖

圖6 內(nèi)孔畸變率—壓下率關(guān)系圖

圖6為內(nèi)孔畸變率與壓下率、進給量的關(guān)系圖，隨著壓下率、進給量的增大，內(nèi)孔畸變也變得嚴重。以壓下量為20%t為例分析內(nèi)孔畸變與進給量的關(guān)系：如圖7所示，上砧與鍛件接觸區(qū)域的橫向?qū)挾纫欢?，隨著進給量的增加，整個變形區(qū)域的軸向長度增加，塑性變形區(qū)金屬的流動規(guī)律也發(fā)生變化，隨著變形區(qū)軸向長度的增加，金屬沿橫向流動增多，根據(jù)圖8所示，變形區(qū)金屬A沿橫向流動時，會擠壓區(qū)域B一道沿橫向流動，造成內(nèi)孔畸變增加；當壓下率較大時，也使得金屬沿橫向流動增加。

圖7 芯軸拔長局部變形示意圖

圖8 芯軸拔長時金屬變形流動情況

由以上分析可得，進給量越小，壓下量越小，內(nèi)孔畸變率就越小。

3 變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變分析

靜水應(yīng)力和等效應(yīng)變是鍛件內(nèi)部的孔穴等缺陷封閉的決定性因素[7]。靜水應(yīng)力越大，鍛件內(nèi)部的裂紋等缺陷越容易閉合；等效應(yīng)變分布越均勻，鍛件內(nèi)部整體質(zhì)量就越均勻，得到的鍛造效果越好。

3.1 進給量和壓下率對應(yīng)力分布的影響

圖9 平砧時壓下量為25%時，不同進給量下靜水應(yīng)力分布圖

圖9所示為主變形區(qū)域靜水應(yīng)力分布圖，取芯軸與上砧之間的子午面進行分析。由圖可見，隨著進給量的增加，較大靜水壓應(yīng)力值(絕對值)所占的區(qū)域比例不斷增大。靜水壓應(yīng)力較大時，能夠抑制裂紋的產(chǎn)生，促進缺陷的閉合，靜水壓應(yīng)力絕對值比較小時，效果不明顯。

a) 當進給量小于400mm時，大靜水應(yīng)力區(qū)域，即12.5～25MPa所占區(qū)域主要集中在鍛件與工具接觸上下部分，而塑性變形區(qū)域中心部分的靜水應(yīng)力值較小，從圖中可以看出，在平砧壓下區(qū)域存在一個靜水應(yīng)力較小的“凹坑”。在這種情況下，變形區(qū)域中心部分的品質(zhì)難以得到保證，特別是當存在拉應(yīng)力的時候，會產(chǎn)生微裂紋等缺陷。當進給量大于500mm時，這一缺陷得到了改善，較大靜水應(yīng)力值區(qū)域所占比例提高，并且隨進給量的增大而增大。

b) 從圖9中可以看出，顏色較深的區(qū)域的靜水應(yīng)力值最大，一部分位于上砧的圓角處，另一部分位于鍛件內(nèi)壁與芯軸接觸的區(qū)域，隨著進給量的增加，鍛件與芯軸接觸的大靜水應(yīng)力值區(qū)域所占比例提高，可以保證空心件的內(nèi)壁有足夠的變形，以改善這一部分的組織?？變?nèi)壁的工作環(huán)境比較惡劣，對內(nèi)壁力學性能要求比較高，大靜水壓力有利于鍛件內(nèi)壁品質(zhì)的改善。

圖10為芯軸拔長變形區(qū)域的中心點的靜水應(yīng)力值在不同壓下率下的變化情況，中心點位于子午面變形區(qū)域的中心，如圖9(e)所示。從圖中可以看出，當進給量小于500mm時，中心點的靜水應(yīng)力值隨壓下率的變化幅度較小，而且靜水壓力值也較小；當進給量大于500mm時，靜水應(yīng)力隨壓下率的變化幅度較大，兩者呈近似的拋物線關(guān)系。

圖10 不同壓下率下的靜水應(yīng)力分布

綜上所述，當進給量大于500mm時，壓下率大于20%時，芯軸拔長變形區(qū)域大靜水應(yīng)力值分布范圍較大，靜水壓力值較高，可以保證變形區(qū)內(nèi)部品質(zhì)的穩(wěn)定性，同時可以改善鍛件內(nèi)空壁品質(zhì)。

3.2 壓下率與進給量對等效應(yīng)變分布的影響

在鍛造過程中，為了保證鍛件品質(zhì)整體的均勻性，應(yīng)首先使每一工步下變形區(qū)應(yīng)變盡量均勻。對于芯軸拔長，并非是變形越劇烈，對工件性能改善越好，在開坯階段，鍛件以大的變形比進行鐓拔，已經(jīng)達到了改善鍛件品質(zhì)的目的。因此，芯軸拔長階段，應(yīng)力求變形的均勻程度。根據(jù)衡量變形均勻程度的方法—大區(qū)域比例[8]，可以引申得到：對于一個分布不均勻的應(yīng)變場，中等變形區(qū)域占總變形區(qū)域面積的比值為此應(yīng)變場的均勻變形率。其中，變形區(qū)域臨界值由公式：ε=αεmax決定。在一個局部加載的應(yīng)變場中，應(yīng)變最小值為零，最大值為εmax，ε為臨界值系數(shù)因子，定義當0.6<α<0.9時的應(yīng)變區(qū)域為中等變形區(qū)域。

圖11為進給量300mm時，不同壓下率等效應(yīng)變分布圖，截面位置距離端面為1/2進給量的長度，應(yīng)變值在0.167～0.25范圍內(nèi)的應(yīng)變區(qū)域為中等變形區(qū)域。隨著壓下量的不斷增加，主變形區(qū)域的面積不斷擴大，大應(yīng)變值區(qū)域主要分布于上砧與鍛件的接觸區(qū)域附近，并隨著壓下率增大逐漸向主變形區(qū)心部擴散。

圖11 進給量為300 mm時，不同壓下率應(yīng)變分布

圖12為均勻變形率與壓下率的關(guān)系圖。在壓下率為25%t時均勻變形率達到最大，隨著壓下率的進一步增大，在主變形區(qū)出現(xiàn)了大應(yīng)變區(qū)域，均勻應(yīng)變率有所降低。進給量對均勻變形率也具有一定的影響，主要表現(xiàn)在壓下率為25%時，隨著進給量的增加，均勻變形率降低。因為對于公稱壓力一定的壓力機，當鍛造體積越大時，鍛造效果越不好。

綜上所述，壓下率在25%左右時，可以得到最大的均勻變形率。此時，主變形區(qū)的金屬變形最為均勻。在不影響其他鍛造效果的前提下，進給量取較小的值為宜。

圖12 均勻變形率—壓下率關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過對芯軸拔長數(shù)值模擬分析，可以得出芯軸拔長在不同工藝參數(shù)下的變形與應(yīng)力應(yīng)變分布的規(guī)律。綜合考慮進給量和壓下量以及錯砧角對各種指標的影響，可以得到以下結(jié)論：

1) 壓下量在20%～25%t左右是比較合理的，在這個范圍內(nèi)其變形均勻率達到最大，同時拔長率以及靜水壓力也處于較高的水平，但內(nèi)孔畸變較高。

2) 當進給量為500～600mm時，可以得到良好的大靜水應(yīng)力值分布區(qū)域，不會有壓應(yīng)力“凹坑”缺陷的存在，并且拔長效率處在較高的水平。考慮到對應(yīng)變均勻程度的影響，可以適當?shù)慕档瓦M給量。

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