平砧速度對(duì)大鍛件質(zhì)量影響的數(shù)值模擬

吳玉忠

(貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽550023)

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平砧速度對(duì)大鍛件質(zhì)量影響的數(shù)值模擬

吳玉忠

(貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽550023)

在鈦合金軸類大鍛件的鍛造中，平砧的壓下速度是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)。利用DEFORM軟件，研究平砧的壓下速度對(duì)鈦合金鍛件質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，上下砧的壓下速度的變化會(huì)引起鍛件的等效應(yīng)變、溫度值和所需載荷的大小及應(yīng)力分布的變化，直接影響到鍛件的質(zhì)量。

鈦合金 軸類大鍛件 平砧 數(shù)值模擬

0 引言

鈦合金軸類大鍛件是航空航天領(lǐng)域常用基礎(chǔ)件，廣泛應(yīng)用于制造支架、起落架、框架、緊固件和管道等[1]。在某種意義上，大型鍛件的制造技術(shù)是衡量國家重工業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志。 隨著相關(guān)工業(yè)的快速發(fā)展，大型鍛件的尺寸越來越大，對(duì)質(zhì)量的要求也日益提高[2-3]。而軸類大型鈦錠的內(nèi)部往往存在著較嚴(yán)重的冶金缺陷：如疏松、偏析、空洞、夾雜等，并且在對(duì)其開坯的時(shí)候鍛件的表面質(zhì)量、尺寸精度及其各參數(shù)的選擇不容易控制。而平砧的下壓速度是鍛造鈦合金軸類大鍛件的一個(gè)重要參數(shù)， 它對(duì)改善或消除這些缺陷具有重要的意義，利用合理的平砧下壓速度對(duì)鈦合金軸類大型鑄錠進(jìn)行開坯，以獲得表面及內(nèi)部質(zhì)量好、尺寸精度高的鍛件。

近年來，我國的鈦合金鍛造技術(shù)得到了快速的發(fā)展，但是與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距。鍛造產(chǎn)品的參數(shù)優(yōu)化大多仍然依賴技術(shù)人員在實(shí)際生產(chǎn)中的摸索，這導(dǎo)致鈦合金鍛件的產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，廢品率高[4-5]。目前部分企業(yè)開始運(yùn)用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化，數(shù)值模擬在鍛造領(lǐng)域已得到了越來越廣泛的應(yīng)用，也是今后該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[6]。本文運(yùn)用DEFORM軟件模擬平砧下壓速度對(duì)鈦合金軸類大鍛件質(zhì)量影響，根據(jù)模擬結(jié)果分析工藝參數(shù)對(duì)鍛件質(zhì)量的影響，并得出平砧的最佳下壓速度，使得鍛件的質(zhì)量得到了有效控制和提高[6]，為企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

圖1 有限元模型

1 數(shù)值模擬模型的建立

在三維軟件UG中建立幾何模型，保存為STL格式，然后將STL文件導(dǎo)入到數(shù)值模擬軟件DEFORM中，如圖1所示。坯料的原始尺寸是Φ500 mm×500 mm,溫度為1 050℃[7]，為了在模擬的過程中防止鍛件移動(dòng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)V型的夾具將其固定。坯料可以和環(huán)境進(jìn)行熱交換。上平砧與下平砧的形狀大小相同。為了避免模具和坯料接觸時(shí)溫度發(fā)生突變，鍛造之前將模具預(yù)熱至300℃[8]，初始砧寬設(shè)置為250 mm，并對(duì)坯料、模具及夾具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

模擬的具體參數(shù)選擇如表1所示。

表1 初始有限元模型的模擬參數(shù)

2 上下砧壓下速度對(duì)鍛件質(zhì)量的影響

2.1 上下砧不同壓下速度對(duì)鍛件的等效應(yīng)變值的影響

在鈦合金大鍛件的鍛造中，上下砧的壓下速度是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)，上下砧的壓下速度的變化會(huì)引起鍛件的等效應(yīng)變、溫度值和所需載荷的大小及分布的變化，直接會(huì)影響到鍛件的質(zhì)量。圖2為上下砧在不同壓下速度下鍛件的等效應(yīng)變值的大小分布情況。

圖2 上下砧不同壓下速度下鍛件的等效應(yīng)變值的大小分布圖

由圖2可以看出，當(dāng)上下砧的壓下速度增大時(shí)，鍛件內(nèi)部的等效應(yīng)變值也在不斷增大，當(dāng)上下砧壓下速度分別為20 mm/s、30 mm/s、40 mm/s 和50 mm/s 時(shí)，其鍛件心部的等效應(yīng)變值的大小分別為0.215、0.260、0.291、0.302，這說明上下砧的壓下速度越大鍛件內(nèi)部應(yīng)變值越大，越有利于細(xì)化晶粒，消除坯料內(nèi)部缺陷。

2.2 上下砧不同壓下速度對(duì)鍛件溫度的影響

如圖3為上下砧不同壓下速度下鍛件溫度值的大小分布圖。

圖3 上下砧不同壓下速度下鍛件溫度值的大小分布圖

可見，當(dāng)鍛件的壓下速度為20 mm/s、30 mm/s、40 mm/s時(shí)，鍛件的最高溫度沒變，均為1 050 ℃,當(dāng)鍛件的壓下速度為 50 mm/s 時(shí)，鍛件的最高溫度升高了10 ℃，變?yōu)榱? 060 ℃，這是因?yàn)殁伜辖鸬膶?dǎo)熱系數(shù)低，如果上下砧的壓下速度過大，鍛件的變形熱不能及時(shí)擴(kuò)散，將會(huì)引起鍛件局部溫度的上升，導(dǎo)致過熱現(xiàn)象，使得鍛件組織和性能不均勻、不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生裂紋。

2.3 上下砧不同壓下速度對(duì)鍛件所需載荷的影響

圖4為上下砧在不同壓下速度下鍛件所需載荷的曲線圖。

圖4 上下砧不同壓下速度下鍛件所需載荷的大小

由圖可見，鍛件變形的初始階段是微變形階段，此時(shí)是壓下速度從零增大到模擬要求的壓下速度，其位移載荷曲線呈直線。隨著鍛件變形量的增大，上下砧與鍛件的接觸面積不斷增大，使得鍛件變形所需載荷也在不斷的增大。當(dāng)速度分別為20 mm/s、30 mm/s、40 mm/s、50 mm/s時(shí)，載荷分別為2.65×106N、3.20×106N、3.81×106N、4.26×106N。

3 結(jié)論

1)上下砧的壓下速度越大鍛件內(nèi)部應(yīng)變值越大，越有利于細(xì)化晶粒、消除坯料內(nèi)部缺陷。

2)上下砧的壓下速度越大，鍛件的變形熱不能及時(shí)擴(kuò)散，會(huì)引起鍛件局部溫度的上升，導(dǎo)致過熱現(xiàn)象，使得鍛件組織和性能不均勻、不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生裂紋。

3)隨著上下砧的壓下速度增大, 鍛件變形所需載荷也在不斷的增大。

4)隨著上下砧的壓下速度增大，鍛件的內(nèi)部應(yīng)變也隨之增大，有利于細(xì)化晶粒，消除鍛件內(nèi)部缺陷，但若速度過大，會(huì)引起鍛件局部溫度過高，使得鍛件的組織和性能不均勻、不穩(wěn)定，同時(shí)還會(huì)增大鍛件變形所需載荷。而壓下速度太小，則鍛件降溫較快，也會(huì)產(chǎn)生裂紋。綜合考慮，選擇上下砧為40 mm/s的壓下速度為最優(yōu)值。

[1] 趙樹萍，呂雙坤.鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2002(6):18-21.

[2] 郭會(huì)光．大型鍛件制造核心技術(shù)的進(jìn)展 [J]． 金屬加工 ，2012(1)：19-20.

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[4] 黃倩，溫彤，劉清，等.大型鍛件組織與性能的影響因素及其控制技術(shù)[J].熱加工工藝，2015,44(13):6-8.

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[6] 張皓曄，馬建平， 彭 忠. 工作缸鍛造工藝的改進(jìn)及數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2008，37(19)：81-83.

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Numerical simulation of the effect of flat anvil speed on the quality of large forgings

WU Yuzhong

In the forging of large titanium alloy forgings, screw-down speed of flat anvil is one of the most important process parameters. The effect of screw-down speed of flat anvil on the quality of large forgings was researched using DEFORM software. The results showed that screw-down speed change of top and bottom anvil would cause equivalent strain of forgings and the change of temperature and the size and distribution of load required. These affect the quality of forgings directly.

titanium alloy, large heavy forging, flat anvil, numerical simulation

TG316

A

1002-6886(2016)06-0025-03

吳玉忠(1988-)，男，河南省濮陽人，助教，碩士研究生，研究方向：機(jī)械制造技術(shù)。

2016-05-16