鍛造變形過程中孔洞缺陷閉合行為Q-Value法研究

韓笑宇 曹 明

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

孔洞類缺陷在鍛造過程中的閉合乃至焊合是鍛造模擬中經(jīng)常遇到的問題，國內(nèi)外多項(xiàng)研究表明，孔洞缺陷的閉合行為可以通過Q-Value法進(jìn)行預(yù)測，計(jì)算如式(1)。當(dāng)累積變形達(dá)到一個(gè)臨界值Q時(shí)，孔洞閉合，Q值也稱閉合因子，此時(shí)的臨界值即為閉合閾值。通過計(jì)算Q值在模擬中的分布云圖，可以研究大型鋼錠孔洞類缺陷在鍛造變形過程中的閉合行為。

(1)

式中σm為靜水壓應(yīng)力，σeq為等效應(yīng)力，εeq為等效應(yīng)變。

通過Q-Value法，可以在不改變坯料內(nèi)部形狀及網(wǎng)格狀態(tài)的條件下，對坯料內(nèi)部孔洞類缺陷在鍛造過程中的閉合情況進(jìn)行預(yù)測，省去了坯料建模中間開孔以及用Hyper-mesh軟件細(xì)化處理孔洞周圍局部網(wǎng)格的復(fù)雜操作，而且在后續(xù)有限元模擬中，大大減少了計(jì)算成本，實(shí)踐表明其節(jié)省模擬時(shí)間在80%以上。且運(yùn)用Q-Value法不用指定孔洞缺陷位置，從全局出發(fā)，更具實(shí)用性。

Q-Value法的關(guān)鍵在于Q臨界值的確定，當(dāng)Q值的分布云圖被計(jì)算出來，通過臨界值的比對可以判斷孔洞缺陷是否閉合。但是，國內(nèi)外目前有關(guān)Q-Value法的研究和文獻(xiàn)甚少，孔洞缺陷閉合的閾值無法給出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考值。A. Kishimoto等人用鉛料及小鋼錠實(shí)驗(yàn)得到孔洞缺陷閉合的Q臨界值分別為0.22和0.56，由于鉛料采用肉眼觀察，而小鋼錠采用超聲檢測，不同的缺陷檢測方式造成了閉合的臨界值不在同一水平；Satoru Ookawa等人通過實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)合的方式得到孔洞缺陷閉合的Q臨界值為0.3，且提出了多道次壓下時(shí)奇偶道次Q值累積對孔洞缺陷閉合的“貢獻(xiàn)度”存在差異。本文通過模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法確定孔洞缺陷閉合時(shí)Q的臨界值。

1 模擬中Q值的計(jì)算

上述式(1)為積分式，計(jì)算存在諸多不便，在DEFORM-3D模擬軟件中，可通過將式(1)進(jìn)行離散化(式2)，利用軟件中用戶子程序進(jìn)行Q值的計(jì)算，并得到其分布云圖，從而利用有限元模擬軟件預(yù)測鍛造過程中孔洞類缺陷的閉合情況。

(2)

DEFORM-3D模擬軟件用戶子程序USRUPD是一個(gè)用戶定義節(jié)點(diǎn)和單元變量的子程序，用戶可以通過定義特殊的節(jié)點(diǎn)或單元變量實(shí)現(xiàn)后處理中不具備的參量的計(jì)算功能。以下為二次開發(fā)中計(jì)算Q值的部分編程語句。

USRE2(1)=USRE1(1)

IF(EFSTSE.EQ.0) THEN

USRE2(1)=USRE2(1)

ELSE

USRE2(1)=USRE2(1)-(TEPSE-

ENDIF

2 大鍛件鍛造變形Q-Value法模擬結(jié)果分析

選擇某寬厚板支承輥為研究對象，分析其在FM壓實(shí)鍛造過程中孔洞類缺陷的閉合行為，各項(xiàng)模擬參數(shù)均與常規(guī)模擬保持一致。通過常規(guī)數(shù)值模擬可知，孔洞缺陷發(fā)生閉合的主要變形過程集中在FM壓實(shí)階段，且FM壓實(shí)后孔洞缺陷閉合程度在軸向呈現(xiàn)出一定的差異化，這些均有利于通過實(shí)驗(yàn)與模擬對比來對Q臨界值進(jìn)行確定。壓實(shí)結(jié)束后坯料中心截面等效應(yīng)變分布云圖及Q值分布云圖如圖1所示。

(a)等效應(yīng)變分布云圖(b)Q值分布云圖圖1 坯料中心截面等效應(yīng)變分布云圖及Q值分布云圖Figure 1 The distribution nephogram of the equivalent strain and the Q values in the central section of the billet

通過圖1可知，坯料中心截面等效應(yīng)變分布與Q值分布趨勢表現(xiàn)出較大的不同，這說明孔洞缺陷的閉合行為不僅與等效應(yīng)變有關(guān)，還與缺陷周圍的等效應(yīng)力、靜水壓應(yīng)力有關(guān)。尤其是最終壓實(shí)結(jié)束時(shí)，僅通過等效應(yīng)變分布云圖可以判斷坯料心部基本已經(jīng)鍛透，但是通過其對應(yīng)的Q值分布云圖發(fā)現(xiàn)，心部坯料與近表層坯料差異依然較大，在判斷孔洞缺陷閉合問題時(shí)尤其需要注意。

通過以往研究與圖1中Q值分布趨勢可知，坯料心部的孔洞類缺陷仍是問題的關(guān)鍵所在，即倘若心部的孔洞缺陷被壓合直至焊合，那么其余次表層、近表層等部位的孔洞缺陷也能被焊合。為此，特選擇坯料中心沿軸向均勻分布6點(diǎn)(如圖2所示)，運(yùn)用模擬軟件中點(diǎn)跟蹤功能，分析此6點(diǎn)Q值在FM壓實(shí)變形過程中的變化情況，如圖3所示。

圖2 坯料中心截面6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)位置選取示意圖Figure 2 The schematic diagram of the six test points in the central section of the billet

圖3 FM變形過程中6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)Q值隨模擬時(shí)間變化曲線Figure 3 The curves of Q values of the six test points varying with the simulation time in the FM deformation process

如圖3所示，位于冒口端的P1和水口端的P6在整個(gè)變形過程中Q值最小，P3、P4點(diǎn)位于坯料最中心，故Q值最大，P2、P5點(diǎn)次之。此外，在每個(gè)道次中，Q值的累積均是以P1點(diǎn)開始，之后P2～P5，P6點(diǎn)發(fā)生最遲，不難發(fā)現(xiàn)，此順序是由每道次中布砧的順序決定的。

觀察六個(gè)道次6點(diǎn)Q值變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，Q值的累積主要發(fā)生在第二、第四、第五3個(gè)道次，其余3個(gè)道次雖然也有可觀的壓下量，但Q值增長不大，6點(diǎn)的Q值在此3個(gè)道次的變化曲線近乎呈水平。分析其原因，初始坯料截面呈圓形，導(dǎo)致坯料與砧子接觸面積較小，相同壓下量產(chǎn)生的形變亦較小，這是導(dǎo)致Q值在第二、四道次的累積增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過第一、三道次的主要原因。第五道次在經(jīng)歷前四道次壓下后，坯料已近乎規(guī)則的矩形截面，壓下時(shí)坯料與砧子能夠保持完全接觸；此外，四、五道次之間的翻轉(zhuǎn)也使得第五道次形變量較大，對孔洞類缺陷的閉合作用不可忽視。至于第六道次，結(jié)合圖3曲線可知，此道次僅是起到了修整變形作用，Q值在此道次累積增長量較小，對孔洞缺陷閉合作用不大。

3 臨界值Q的確定

為確定孔洞缺陷閉合的閾值，通過Hyper-mesh軟件建立帶有孔洞缺陷的網(wǎng)格模型進(jìn)行常規(guī)模擬研究，如圖4所示。運(yùn)用1∶30等比縮小鉛料模型進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。

圖4 孔洞缺陷閉合常規(guī)模擬研究Figure 4 The conventional simulation research on the closure behavior of the void defects圖5 孔洞缺陷閉合物理實(shí)驗(yàn)研究Figure 5 The physical experiment research on the closure behavior of the void defects

通過解剖觀察，帶有孔洞缺陷坯料的常規(guī)模擬研究與物理實(shí)驗(yàn)均得出較為一致的結(jié)論，即在FM壓實(shí)后孔洞缺陷除靠近冒口端部位，其余部位均趨于閉合，對比圖3可知，此時(shí)P4最大Q值累積已達(dá)到0.45。再結(jié)合國內(nèi)外其他研究，綜合從以下兩個(gè)方面說明臨界值Q的確定：

(1)就確定性的某一孔洞缺陷而言，孔洞缺陷的閉合具有取向性，研究表明，為使孔洞類缺陷閉合，應(yīng)使最大壓應(yīng)變方向與內(nèi)部孔洞缺陷短軸相一致。Satoru Ookawa等人在研究Q臨界值時(shí)，對圓柱體鐓粗、一道次KD壓實(shí)、三道次KD壓實(shí)分別進(jìn)行Q值的計(jì)算并與模擬結(jié)果相對比，結(jié)果如圖6所示。

通過圖6可知，圓柱體鐓粗與一道次KD壓實(shí)時(shí)，孔洞缺陷直徑減小率與Q值的變化較為吻合，且Q的臨界值為0.3；但三道次KD壓實(shí)時(shí)，Q值增加到0.4，孔洞缺陷才得以完全閉合。在此，孔洞的取向性就成為問題的關(guān)鍵，即第一道次壓下時(shí)，孔洞缺陷產(chǎn)生了取向性，后續(xù)為使孔洞缺陷閉合，應(yīng)使最大壓應(yīng)變方向與內(nèi)部孔洞缺陷短軸相一致，采用90°翻轉(zhuǎn)的KD壓實(shí)方式第二道次由于壓下方向與缺陷短軸方向垂直，對此孔洞缺陷在短軸方向閉合便做了無用功，如圖6(a)。將第二道次的Q值剔除后，得到圖6(b)修正曲線，可以發(fā)現(xiàn)，三者吻合較好。

(a)三道次KD壓實(shí)修正前(b)三道次KD壓實(shí)修正后圖6 三種不同工序下Q值與孔洞直徑減小率的對應(yīng)關(guān)系曲線Figure 6 The corresponding relationship curve between Q values and void diameter reduction rates under three different working procedures

而本文研究的大型支承輥采用FM壓實(shí)方式，由于第一道次的壓下方向決定了孔洞缺陷的初始閉合取向。為此，提取第一、二、五道次壓下Q值的累積量，選取P3、P4兩個(gè)最具閉合條件的試驗(yàn)點(diǎn)，并剔除由于布砧順序?qū)е翾值未發(fā)生變化的部分，得到P3、P4點(diǎn)Q值與孔洞閉合程度的對應(yīng)關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 中心截面P3、P4點(diǎn)Q值與孔洞閉合程度的對應(yīng)關(guān)系曲線(修正后)Figure 7 The corresponding relationship curve between the Q values and the void closing degree of P3 and P4 in the central section(after correction)

圖7表明中心截面P3、P4點(diǎn)Q值與孔洞閉合程度對應(yīng)關(guān)系較為一致，結(jié)合圖6，可以得出結(jié)論：對于特定某一孔洞缺陷而言，通過Q值的計(jì)算是可以衡量其閉合程度的，且Q臨界值與壓下方式、工藝方法等無關(guān)。此時(shí)，孔洞閉合的臨界值Q=0.3，但需要注意，此時(shí)Q值應(yīng)為有效累積值，即主變形方向與孔洞缺陷短軸方向一致時(shí)所積累的Q值。

(2)實(shí)際生產(chǎn)中，鋼錠內(nèi)部孔洞類缺陷形狀無規(guī)律可言，更無固定取向性。在多道次均勻變形過程中，當(dāng)存在相互垂直的變形方式，為了保證各種形狀、取向的孔洞充分閉合，Q的臨界值應(yīng)取0.3×2=0.6；當(dāng)主變形方向固定為一個(gè)方向時(shí)，如鐓粗工序，缺陷短軸方向與主變形方向垂直的孔洞將難以閉合。

4 結(jié)論

(1)通過對DEFORM用戶子程序進(jìn)行二次開發(fā)，計(jì)算得到了較為準(zhǔn)確的Q值云圖，為預(yù)測鍛造模擬中孔洞類缺陷的閉合行為提供了新方法，提高了模擬效率。

(2)運(yùn)用常規(guī)數(shù)值模擬與物理實(shí)驗(yàn)對Q-Value法進(jìn)行雙重比對驗(yàn)證，針對孔洞取向、主變形方向得到了臨界值Q的選取如下：對于特定某一孔洞缺陷，且主變形方向與孔洞缺陷短軸方向一致時(shí)，孔洞發(fā)生閉合的臨界值Q=0.3；在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證各種形狀、取向的孔洞充分閉合，孔洞發(fā)生閉合的臨界值Q=0.6。