大型圓柱鍛件深沖孔最大孔徑比的數(shù)值模擬研究

高錦張，王舒濤，王興中，馬武江（.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 89；.上海新閔（東臺(tái)）重型鍛造有限公司，江蘇 東臺(tái) 400）

大型圓柱鍛件深沖孔最大孔徑比的數(shù)值模擬研究

高錦張1，王舒濤1，王興中2，馬武江2
（1.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.上海新閔（東臺(tái)）重型鍛造有限公司，江蘇 東臺(tái) 224200）

本文以內(nèi)接于大型斜三通鍛件的圓柱體為例，基于Deform-3D有限元軟件，對(duì)高徑比H/D=2.5大型圓柱鍛件深沖孔工藝過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)不同直徑坯料沖制多種規(guī)格內(nèi)孔，研究了不同孔徑比對(duì)坯料形變的影響。模擬分析表明，選擇合理孔徑比上限，可獲得形狀規(guī)則的目標(biāo)鍛件，研究結(jié)果可以為大型圓柱鍛件深沖孔工藝的制定提供理論依據(jù)。

鍛造；大型圓柱鍛件；深沖孔；最大孔徑比；數(shù)值模擬

大型空心鍛件作為核電及火電領(lǐng)域重大技術(shù)裝備的關(guān)鍵零部件，一般可由圓柱鍛件沖孔后獲得，主要應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道進(jìn)出口接管等主要部件。這類部件體積較大，成形困難，生產(chǎn)成本高，長(zhǎng)期工作于高溫、高壓、高放射性的惡劣環(huán)境中，且承受著高流速介質(zhì)所帶來(lái)的交變載荷沖擊，易產(chǎn)生疲勞損傷，影響發(fā)電機(jī)組整體安全系數(shù)。因此，惡劣的工作環(huán)境對(duì)大型空心鍛件的綜合機(jī)械性能提出了極高的要求[1-2]。一般生產(chǎn)中可將普通的沖孔工藝與芯軸拔長(zhǎng)或擴(kuò)孔相結(jié)合的方法獲得較深的內(nèi)孔或較大內(nèi)徑的孔[3-6]。

大型斜三通鍛件作為發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道的關(guān)鍵零部件，承受著惡劣的工作環(huán)境。隨著發(fā)電機(jī)組容量的不斷提升，斜三通工作環(huán)境溫度以及蒸汽壓力不斷提升，如今的超超臨界發(fā)電機(jī)組的主蒸汽溫度達(dá)到了600℃以上，壓力達(dá)到了32MPa以上。傳統(tǒng)的鑄造以及焊接工藝生產(chǎn)的斜三通性能已經(jīng)難以滿足要求。雖然國(guó)內(nèi)也有了鍛造加工大型斜三通鍛件的工藝，但其內(nèi)孔成形主要為鉆削加工，材料利用率低；而且主管道及支管道均為深長(zhǎng)孔，需要鉆孔后再鏜孔至目標(biāo)孔徑，需要經(jīng)過(guò)多道工序，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，因此有必要研究大型斜三通鍛件的深沖孔成形。深沖孔成形可大大提高材料的利用率而且減少加工工藝流程，縮短加工周期。并可使金屬纖維流線方向沿軸向分布，與蒸汽流動(dòng)方向相順應(yīng)，提升大型斜三通鍛件的綜合機(jī)械性能。

大型斜三通鍛件的外形如圖1所示，其尺寸各異，主管道的長(zhǎng)度一般達(dá)到2m以上，內(nèi)孔徑也大小各異。在鍛造成形出斜三通的外廓尺寸后，就需要對(duì)其進(jìn)行內(nèi)孔成形，而斜三通作為異型件，由于外形限制只能通過(guò)深沖孔工藝進(jìn)行內(nèi)孔成形。為了簡(jiǎn)化模型，本文以斜三通鍛件的內(nèi)切圓柱形鍛件為研究對(duì)象，就大型圓柱鍛件的深沖孔工藝展開(kāi)數(shù)值模擬研究，旨在為實(shí)際生產(chǎn)提供必要的理論指導(dǎo)。

深沖孔時(shí)，若孔徑與鍛件外徑的比值越大，鍛件中金屬參與變形的區(qū)域越大，導(dǎo)致了鍛件的變形越大。較小的外形尺寸變化有利于減少后續(xù)整形工序的工作量，因此根據(jù)鍛件外形尺寸的變化來(lái)研究合適的最大沖孔孔徑比。

圖1 主蒸汽管道用斜三通

1 研究方案簡(jiǎn)介

本文基于Deform-3D平臺(tái)，建立相應(yīng)的有限元模型，如圖2所示。坯料采用P91耐熱合金鋼，其成分如表1所示。其鍛造溫度在950℃~1100℃之間。本文選取H/D=2.5圓柱坯料，其中H為坯料高度，D為坯料直徑，選取的坯料尺寸如表2所示。選取不同直徑的平底沖頭進(jìn)行沖孔模擬，沖頭長(zhǎng)度L=H/2+ 200mm，沖頭行程為坯料原始高度一半。沖頭端面設(shè)有一定的圓弧倒角，如圖3所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

圖3 平底沖頭

表1P91主要化學(xué)成分/Wt%

表2 實(shí)驗(yàn)選取的坯料實(shí)際尺寸/mm

將沖頭直徑即目標(biāo)鍛件的內(nèi)孔直徑d與圓柱形坯料的外徑D的比值d/D定義為孔徑比。在生產(chǎn)中我們希望目標(biāo)鍛件在合理的變形范圍內(nèi)能一次成形，以減少后續(xù)擴(kuò)孔、鏜削等工序，提高生產(chǎn)效率。因此需研究大型圓柱鍛件深沖孔時(shí)不同孔徑比對(duì)鍛件形變的影響，以得到合理的孔徑比上限。

2 前處理工藝參數(shù)選擇

沖頭及下模均采用相對(duì)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為8000。為了提高求解精度兼顧求解速度，對(duì)坯料進(jìn)行絕對(duì)網(wǎng)格劃分，人為設(shè)定網(wǎng)格尺寸為50mm。在坯料形成內(nèi)孔的區(qū)域采用網(wǎng)格細(xì)分，細(xì)分尺寸為20mm，如圖4所示。環(huán)境溫度為20℃。坯料與下模之間摩擦系數(shù)定為0.7。實(shí)際生產(chǎn)中沖頭表面采用重油潤(rùn)滑，重油燃燒可以維持內(nèi)孔溫度，防止鍛孔冷縮，同時(shí)重油本身以及燃燒生成的焦炭具有一定的潤(rùn)滑作用，所以將沖頭與坯料的摩擦系數(shù)定為0.1。選用Conjugate求解方法，Direct iteration迭代法。其他具體前處理參數(shù)如表3所示。

圖4 坯料網(wǎng)格劃分示意圖

表3 前處理工藝參數(shù)的選定

3 沖孔時(shí)坯料外形變化規(guī)律

在此定義三種參數(shù)來(lái)描述沖孔后坯料的外形變化，分別為坯料端面塌陷h，坯料直徑Dmax，坯料高度H，各參數(shù)具體如圖5所示，端面塌陷h為沖孔后內(nèi)孔口部邊緣與坯料端面邊緣的高度差，其正值表示內(nèi)孔邊緣凸起，負(fù)值表示內(nèi)孔邊緣塌陷；選取坯料最大直徑處數(shù)值定義為Dmax，高度H為坯料外輪廓的最大高度。

圖5 沖孔后坯料的尺寸

以覬800mm×2000mm坯料，沖孔孔徑比為0.375（對(duì)應(yīng)的沖頭直徑d=300mm）為例，分析沖孔時(shí)的外形變化，沖頭行程為坯料原始高度的一半。為了便于比較沖孔時(shí)坯料的外形尺寸變化，分別提取沖孔過(guò)程中H、Dmax的變化值△H、△Dmax，以及h，得到結(jié)果如圖6所示。其中：

式中：Ht——坯料瞬時(shí)高度；

H0——坯料初始高度。

式中：Dmax-t——坯料瞬時(shí)最大直徑；

D0——坯料初始直徑。

由圖6可看出沖孔時(shí)坯料的變形趨勢(shì)：h值先微微上升，而后下降，最后趨于穩(wěn)定。沖孔剛開(kāi)始時(shí)，沖頭下方的金屬受到擠壓，向外側(cè)流動(dòng)，導(dǎo)致端面微微凸起，隨著沖頭的繼續(xù)下壓，開(kāi)始形成內(nèi)孔，端面開(kāi)始塌陷，沖頭行進(jìn)到一定位置，坯料端部的金屬基本不參與變形，所以h值又趨于穩(wěn)定。坯料的高度H隨著沖頭行程的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。Dmax隨著沖頭的行程增加而逐漸增加，而后增勢(shì)減緩。

選取尺寸為覬800mm×2000mm的坯料，在不同孔徑比下沖孔，沖頭行程為坯料原始高度一半，沖孔后坯料尺寸的變化值如圖7所示。由圖7可看出在不同孔徑比沖孔時(shí)，坯料外形的變化趨勢(shì)：坯料高度H、端面塌陷h的數(shù)值均隨沖孔孔徑比增大而減小，最大直徑Dmax隨孔徑比增大而增大。

圖6 沖孔過(guò)程中坯料外形尺寸的變化

圖7 不同孔徑比沖孔后坯料外形變化

4 孔徑比上限的確定

實(shí)際生產(chǎn)中，若沖孔后坯料變形較小，可以避免或者減少后續(xù)芯軸拔長(zhǎng)、外形修整的工作量，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)一次沖孔獲得較大的內(nèi)孔，可以減少后續(xù)擴(kuò)孔工作量。另外，一般鍛后的坯料還需機(jī)加工對(duì)外形進(jìn)行精整才能形成產(chǎn)品，因此鍛件需要給后續(xù)的機(jī)加工留有余量。一般設(shè)定沖孔后坯料尺寸變化不宜超過(guò)10%，尺寸變化超過(guò)這個(gè)范圍要么外形修整工作量過(guò)大，要么后續(xù)機(jī)加工余量不夠。因此選定以坯料高度方向上的尺寸變化以及直徑的變化均不超過(guò)坯料原始尺寸的10%為判據(jù)，判斷沖孔時(shí)合理的孔徑比上限。在此限定|△H/H0|≤5%，|h/H0|≤5%，|△Dmax/D0|≤10%。

對(duì)于尺寸為覬800mm×2000mm的圓柱形坯料沖孔后，△H/H0、h/H0以及△Dmax/D0的值隨沖孔孔徑比的變化曲線如圖8所示。其沖孔后的具體尺寸以及相對(duì)原始尺寸的變化率如表4所示?？梢?jiàn)h的變化基本在允許范圍內(nèi)，而△H、△Dmax在孔徑比大于0.375時(shí)已經(jīng)超出允許的變化范圍，因此合適的孔徑比上限值不宜大于0.375。

表4 不同孔徑比沖孔后坯料尺寸/mm

對(duì)于坯料高徑比H/D=2.5，研究不同直徑的坯料在上述要求下，孔徑比的合理取值范圍。依次選取直徑覬400mm、覬600mm、覬800、覬1000mm、覬1200mm的坯料，沖頭行程為坯料原始高度一半，沖孔孔徑比依次為0.250、0.313、0.375、0.437、0.500?？梢缘玫礁鞒叽绲呐髁贤庑纬叽缱兓省鱄/H0、h/H0、△Dmax/D0的值分布趨勢(shì)如圖9所示。

由圖9a可見(jiàn)坯料沖半深盲孔后，△H/H0均隨孔徑比的增大而減小，且不同尺寸的坯料其變化率基本一致。當(dāng)沖孔孔徑比不滿0.375時(shí)，△H/H0均大于-5%，當(dāng)沖孔孔徑比為0.438時(shí)，△H/H0已經(jīng)明顯小于-5%，超出前文所述限定條件。當(dāng)孔徑比為0.5時(shí)，△H/H0已經(jīng)小于-10%。由圖9b可見(jiàn)h/H0均隨著沖孔孔徑比的增大而減小，在孔徑比為0.25時(shí)，形成的內(nèi)孔口部均突出表面；當(dāng)孔徑比達(dá)到0.5時(shí)，不論坯料尺寸大小如何，該值的變化依然在5%以內(nèi)。由圖9c可見(jiàn)△Dmax/D0隨著沖孔孔徑比的增大而增大，且不同尺寸坯料沖孔后的△Dmax/D0在同一孔徑比下基本相等，當(dāng)孔徑比達(dá)到0.375時(shí)，△Dmax/D0均在限定的10%附近，當(dāng)孔徑比進(jìn)一步增大，△Dmax/D0的值已超出了限定范圍。

根據(jù)以上分析可知沖孔時(shí)，尺寸變化率最大的是△Dmax/D0，為了使沖孔后坯料形變量較小，合理的孔徑比應(yīng)不大于0.375。

圖9 沖孔后各尺寸比值隨孔徑比變化曲線

5 結(jié)論

（1）對(duì)于H/D=2.5的任一坯料進(jìn)行深沖孔，坯料的形變量隨著沖頭的行程增加而變大；

（2）對(duì)于H/D=2.5的任一坯料進(jìn)行深沖孔，△H/ H0、h/H0、△Dmax/D0變化值隨孔徑比的增大而增大，受坯料實(shí)際尺寸影響不大；

（3）對(duì)H/D=2.5的坯料進(jìn)行深沖孔，為保證坯料形變?cè)诤侠矸秶鷥?nèi)，其合理孔徑上限不宜大于0.375。

[1] 劉建生.我國(guó)大鍛件行業(yè)發(fā)展瞭望[J].金屬加工：熱加工，2011，（9）：8-8.

[2]李 向，凌 進(jìn)，張智峰.核電容器用大鍛件制造技術(shù)的發(fā)展[C].中國(guó)核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告，2013.

[3] 呂 炎.鍛壓成形理論與工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991：143-152.

[4]紀(jì) 勇.加氫直筒節(jié)鍛造工藝[J].大型鑄鍛件，2008，（5）：23-24.

[5] 柳永宏，陳國(guó)昌.大型長(zhǎng)筒鍛造經(jīng)驗(yàn)[J].大型鑄鍛件，1998，（2）：28-29.

[6]許飛霞.大型圓筒鍛件高溫鍛造過(guò)程數(shù)值模擬[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

Research on the simulation of maximum d/D for large cylinder ingot deep hole punching

GAO Jinzhang1，WANG Shutao1，WANG Xingzhong2，MA Wujiang2
（1.School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,Jiangsu China; 2.Shanghai Xinmin（Dongtai）Heavy Forging Co.,Ltd,Dongtai 224200,Jiangsu China）

Based on the software DEFORM-3D,the model has been built to analyze the process of deep hole punching on large cylinder ingot of different diameter but the same H/D=2.5.Different diameter of holes have been punched on different size of large cylinder ingot,according to these simulations,the influence of aperture ratio has been studied.The results showed that a regular shape of forging could be attained by selecting a reasonable maximum aperture ratio.The results of this research could provide theoretical foundations to the actual production.

Large cylinder ingot;Deep hole punching;Aperture ratio;Numerical simulation

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.023

1672-0121（2017）02-0078-04

2017-01-06；

2017-02-27

江蘇省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù)（BE2015110）

高錦張（1963-），男，副教授，從事金屬塑性成形研究。

E-mail：wst0806@126.com