電機端扁頭鍛造工藝的數(shù)值模擬研究

馬鵬翔 ，牛立群 ，楊 武 ，魏海東 ，王旭明 ，張哲瑞

（1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730314；3.蘭州蘭石鑄鍛有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730314）

傳統(tǒng)鍛造工藝憑借生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，通過不斷試錯得到比較符合要求的工藝，既耗時，又得不到最好的工藝。本文借助法國Transvalor公司開發(fā)的Forge模擬軟件，以有限元思維先模擬電機端扁頭鍛件的鍛造工藝，通過模擬過程中參數(shù)優(yōu)化，對鍛造的各火次進(jìn)行計算和分析，最后通過實際生產(chǎn)驗證了模擬的可靠性，通過模擬軟件對參數(shù)模擬優(yōu)化，對生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鍛件具有重要意義[1，2]。

1 工藝簡介

電機端扁頭鍛造工藝有以下要求：工藝方案符合實際、可操作性強；模具形狀要求簡易、數(shù)量少，最好是通用的常規(guī)模具，以降低生產(chǎn)成本；坯料尺寸要求合適，以減少生產(chǎn)成本和降低鑄錠難度；在保證制得的電機端扁頭鍛件必須滿足粗加工尺寸要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)化工藝過程，降低生產(chǎn)成本，提高鍛件質(zhì)量。

通過對電機端扁頭鍛造工藝研究分析，該工藝有三個重要過程，即滾圓拔長、鐓粗和FM法拔長[3，4]。工藝相對簡單，模具使用常規(guī)模具，對于現(xiàn)場的實際生產(chǎn)，難度在于拔長時的單次壓下量和每道次的拔長次數(shù)的控制及保證在一次鐓拔之后保證鍛件內(nèi)部鍛合。因此，需要通過數(shù)值模擬來確定更為精確的鍛造工藝參數(shù)。

1.1 工藝概述

電機端扁頭鍛件是由35 t的鋼錠整體鍛壓而成，電機端扁頭的鍛造設(shè)備為50 MN快鍛機組，材料牌號33NiCrMoV14-5，始鍛溫度為1250℃，共分四個火次。經(jīng)過倒棱、鐓粗、FM法拔長、倒方、沖盲孔得到電機端扁頭的初始毛坯。然后再經(jīng)過精加工，熱處理最后得到電機端扁頭成品。鋼錠尺寸如圖1所示。

圖1 鋼錠尺寸示意圖

1.2 工藝火次解析

扁頭毛坯鍛件總共有四個火次，每一火次的具體內(nèi)容如表1所示。

2 有限元基本參數(shù)的設(shè)定

電機端扁頭的鍛件尺寸比較大，根據(jù)大鍛件的模擬計算[5]，不斷調(diào)整優(yōu)化，得到如表2的參數(shù)設(shè)定值，該參數(shù)在計算時具有計算速度快、收斂性好、誤差小等優(yōu)點，下面分別對重要參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行說明。

模擬計算前，通過Solidworks三維繪圖軟件繪制所有鍛造過程中所需的工裝模具轉(zhuǎn)換為.stl格式并導(dǎo)入鍛造模擬軟件Forge中，鋼錠模型是通過鑄造模擬軟件Thercast對35t鋼錠進(jìn)行鑄造模擬后的結(jié)果文件導(dǎo)入Forge軟件，繼承鋼錠鑄造過程中產(chǎn)生的所有結(jié)果數(shù)據(jù)，其中包括對鍛造影響較大的縮松縮孔結(jié)果數(shù)據(jù)[6]。鋼錠鍛造有限元模型如圖2所示。

表1 鍛造工藝火次詳細(xì)內(nèi)容

表2 有限元參數(shù)設(shè)定

根據(jù)實際生產(chǎn)情況，上砧的下壓速率取4～5 mm/s，摩擦系數(shù)取0.4～0.7，摩擦類型為庫侖摩擦，環(huán)境溫度設(shè)為50℃。不考慮潤滑，是為了保證在惡劣的計算條件下獲得更好的模擬效果，這樣更能保證實際的工藝操作。

3 鍛造工藝模擬分析

圖2 鋼錠鍛造有限元模型

拔長、鐓粗和倒方是大鍛件的主要工序，同時也是影響鍛件內(nèi)部質(zhì)量、改善鍛件內(nèi)部缺陷的關(guān)鍵工藝過程。對完整鍛造工藝的所有火次進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并在模擬中分析鍛件的應(yīng)力應(yīng)變、縮松縮孔分布情況。為完善和正確制定鍛造工藝提供科學(xué)的理論依據(jù)，并為該鍛件的實際生產(chǎn)提供最優(yōu)的工藝參數(shù)。

實際的鍛造工藝分為四個步驟：（1）爐內(nèi)加熱；（2）將工件運送至壓機，并進(jìn)行定位調(diào)整；（3）鍛壓；（4）鍛后冷卻，工件放置在常溫環(huán)境中，等待熱處理。在數(shù)值模擬過程中，需要充分考慮時間對工件散熱的影響。

3.1 第一火次結(jié)果分析

（1）模擬圓盤鐓粗的等效應(yīng)變和縮孔分析。如圖3所示，工件變形的等效應(yīng)變具有累積效應(yīng)，因此取工件圓盤鐓粗完的情況進(jìn)行分析，越遠(yuǎn)離心部等效應(yīng)變越大，部分應(yīng)變量較大，是由于倒棱造成的部分尖角區(qū)域。圓盤端的應(yīng)變量較小。圖3右邊M代表冒口端，D代表鋼錠底部，標(biāo)尺數(shù)值為0.00024～0.0024。鋼錠本身縮孔分布在軸線附近區(qū)域，底部縮孔較嚴(yán)重。由于底部缺陷較為嚴(yán)重，工件倒棱后，將D端置于上部進(jìn)行圓盤鐓粗，縮孔較嚴(yán)重區(qū)域有所改善，但由于工件壓下量微弱，縮孔分布范圍基本沒有變化。

（2）十字排壓法鐓粗模擬結(jié)果的等效應(yīng)變和縮孔分析。圖4為兩步平砧鐓粗之后，等效應(yīng)變和縮孔縮松分布情況。最大應(yīng)變出現(xiàn)在工件表面尖角處，心部變形量約為100%；表面變形量達(dá)到了130%左右。越遠(yuǎn)離心部應(yīng)變越大。由于底部模具是大平臺，接觸面積和摩擦大，難變形的原因，工件底部變形量較小?？s孔有部分壓實，但D部依然存在較大縮孔。

3.2 第二火模擬結(jié)果分析

圖5表示本火次終鍛時的等效應(yīng)變分布及縮孔縮松分布情況。左圖顯示工件軸向截面的應(yīng)變情況，最大應(yīng)變出現(xiàn)在上表面，變形量約為205%。心部變形較上一火次有提升，但總體變形量依然較小，約為80%。右圖顯示軸向截面縮孔分布情況，工件D端縮孔尺寸有所減小，最大值基本在0.0021左右。

3.3 第三火次模擬分析

（1）最大主應(yīng)力分布。對第三火次壓大扁方時的應(yīng)力最大值出現(xiàn)時的工件進(jìn)行分析，圖6中顯示的最大主應(yīng)力分布主要集中在工件表面附近，工件與模具的接觸區(qū)域，工件主要受壓應(yīng)力。下圖軸向截面的應(yīng)力分布顯示，在工件的受力面上（模具對工件的鍛壓面），拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在工件與模具的非接觸區(qū)域，表面的拉應(yīng)力在10MPa左右；徑向截面的應(yīng)力分布顯示，拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在工件與模具的非接觸面上，拉應(yīng)力最大的區(qū)域應(yīng)力達(dá)到30MPa左右。壓方過程中應(yīng)力分布與壓大扁方過程基本相似。

圖3 等效應(yīng)變和縮孔縮松分布情況示意圖

圖4 等效應(yīng)變和縮孔縮松分布情況示意圖

（2）等效應(yīng)變及縮孔分析。第三火由壓大扁方和壓方兩個步驟組成。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在兩端尖角處，變形量在300%左右。從軸向截面的標(biāo)尺顏色分布情況來看，等效應(yīng)變隨著遠(yuǎn)離心部，應(yīng)變值逐漸增大。縮孔分布如圖7所示，縮孔尺寸及區(qū)域分布在壓大扁方過程中變化較大。大尺寸的縮孔進(jìn)一步縮小到0.0018量級，壓方后更縮小到0.0016量級，最大尺寸較鋼錠本身縮孔有了較大幅度的縮小且分布區(qū)域縮小。但是依然可以看出工件D端較M端縮孔更加嚴(yán)重。

3.4 第四火次模擬

本火次分為兩個步驟，第一步先將邊長為1250 mm，長2200mm的方柱滾成直徑為1250mm的圓柱；第二步在工件D端表面采用同種沖頭，在不同壓下量下分別進(jìn)行模擬，對比不同壓下量對等效應(yīng)變、縮孔縮松的影響。在此，只對兩種不同沖盲孔方案進(jìn)行分析。兩種方案的模具如圖8所示，方案一沖盲孔深度為500mm，方案二沖盲孔深度為550mm。

圖5 等效應(yīng)變和縮孔縮松分布情況示意圖

圖6 應(yīng)力分布示意圖

圖7 等效應(yīng)變和縮孔分布示意圖

圖8 模具示意圖

圖9 主應(yīng)力分布示意圖

（1）最大主應(yīng)力分布。主應(yīng)力分布如圖9所示。對比兩方案，拉應(yīng)力主要分布在沖盲孔一端靠表面區(qū)域。最大主應(yīng)力分布在沖頭地面與工件接觸的區(qū)域，方案一達(dá)到125MPa，方案二達(dá)到了150MPa，且方案二中壓應(yīng)力覆蓋的區(qū)域更大。徑向截面可以看出，方案一壓應(yīng)力分布呈兩個區(qū)域，心部區(qū)域大約在25MPa，表面大約在2MPa；方案二從心部向表面呈階梯狀分布，心部最大主應(yīng)力約為50MPa，越遠(yuǎn)離心部，壓應(yīng)力越小。

（2）等效應(yīng)變和縮孔分布。如圖10所示，對比兩方案等效應(yīng)變分布情況可知，在方案二加大沖頭壓下量后，沖頭底部與工件接觸的區(qū)域，應(yīng)變量較方案一更大，方案一應(yīng)變量最大值為700%左右，方案二達(dá)到了800%以上。工件其他區(qū)域的形變量，兩個方案差別不大。

從圖10中可以看出，兩方案縮孔尺寸根據(jù)軟件所測結(jié)果顯示方案一為0.0015量級，方案二為0.0013量級，工件D端和M端的縮孔分布區(qū)域相似。同時注意到，方案二中，將D端的最大縮孔分布區(qū)域變得更小，有利于壓實縮孔縮松。

圖10 等效應(yīng)變和縮孔分析示意圖

圖11 鍛件毛坯示意圖

4 試驗驗證

最終鍛件毛坯如圖11所示，按?2靈敏度掃查，均合格。

5 結(jié)論

通過以上對電機端扁頭鍛造工藝的基本參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，利用有限元數(shù)值模擬計算模型的思想，采用有限元模擬軟件Forge對電機端扁頭鍛造的各火次進(jìn)行計算，得出了電機端扁頭各火次鍛造的重要工藝參數(shù)。同時，分析了扁頭鍛造的應(yīng)力應(yīng)變和縮孔縮松分布情況，計算結(jié)果顯示，扁頭各火次的鍛造成形良好。應(yīng)力與應(yīng)變的分布表明，扁頭變形均勻，縮孔縮松分布，通過后期實際探傷檢測，與計算結(jié)果基本相符，驗證了建立數(shù)值模擬計算模型的可行性，同時為實際生產(chǎn)提供了重要的工藝參數(shù)依據(jù)。

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