物理模擬及DEFORM仿真技術(shù)在大型鍛件鐓粗工藝中的應(yīng)用

何利東，李海榮

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料系，四川 德陽(yáng) 618000）

大型鍛件的生產(chǎn)能力在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要地位。核電壓力殼（RPV）是核電工程關(guān)鍵性部件，其工作條件決定了RPV必須具有各種良好的機(jī)械性能，尤其是韌性指標(biāo)必須達(dá)標(biāo)[1]。這些大鍛件鍛造所用鋼錠中難以避免地存在疏松、粗大樹枝晶等鑄態(tài)缺陷，尤其是孔洞的存在直接影響鍛件的質(zhì)量。因而對(duì)于如何鍛合孔洞改善鍛造質(zhì)量的研究已成為鍛壓領(lǐng)域中被十分重視的研究課題[2]。大型鍛件一般都有數(shù)十噸乃至數(shù)百噸重，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴，報(bào)廢一件就要造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，采用模擬技術(shù)來(lái)研究大鍛件成形工藝不失為一種簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)而有科學(xué)參考價(jià)值的有效方法。

1 物理模擬與DEFORM仿真原理及模擬方案

相似理論是指導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣于實(shí)際應(yīng)用的基本理論。塑性成形的相似理論，可歸結(jié)為幾何相似、物理相似及加工條件相似等三方面的相似條件[3]。

研究方案中，物理模擬采用鉛在常溫下的變形來(lái)模擬大型鍛件在高溫狀態(tài)下的變形。

DEFORM有限元分析系統(tǒng)是美國(guó)SFTC公司開發(fā)的一套專門用于金屬成形的軟件。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)加工過(guò)程，可減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本，為大鍛件工藝的制定提供較精準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù)[4]。

通過(guò)物理模擬及DEFORM仿真研究普通鐓粗及其改進(jìn)的凹型坯料鐓粗兩種工藝，分析對(duì)比兩種模擬方法用于該工藝研究的結(jié)果。

1.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)方案

按照上海重型機(jī)器廠的RPV鍛造工藝使用鋼錠尺寸，按相似理論制作實(shí)驗(yàn)試件，采用一組?50X35鉛試件，采用上下平砧在300kN萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行鐓粗實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)中的試件變形采用坐標(biāo)網(wǎng)格法定量計(jì)算其真實(shí)主應(yīng)變及其方向，輸出應(yīng)變場(chǎng)等數(shù)據(jù)用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

1.2 DEFORM仿真模擬方案

DEFORM仿真前處理的主要建模數(shù)據(jù)為：①坯料溫度1100℃，上下砧溫度300℃；②坯料材質(zhì)38MnSiVS5；③網(wǎng)格數(shù)量20000個(gè)；④加壓速率20mm/s；⑤熱鍛摩擦系數(shù)0.3。

圖1、圖2分別為RPV所用普通坯料及凹型坯料幾何模型圖。為研究坯料內(nèi)部孔洞鍛合機(jī)理，特在坯料子午面上沿高度方向設(shè)計(jì)有一排孔洞。

2 模擬實(shí)驗(yàn)及DEFORM仿真模擬結(jié)果分析

2.1 結(jié)果對(duì)比分析

圖 1 普通鐓粗試件及孔洞尺寸設(shè)計(jì)

圖2 凹型坯料鐓粗試件及孔洞尺寸設(shè)計(jì)

對(duì)鉛試件鐓粗實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)網(wǎng)格法輸出結(jié)果與DEFORM仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

坐標(biāo)網(wǎng)格法求解變形的主要過(guò)程如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)網(wǎng)格法處理大變形的示意圖

平砧鐓粗圓柱坯料時(shí)，由于坯料和工具之間存在摩擦，鐓粗后坯料的側(cè)表面變成鼓形，坯料內(nèi)部變形不均勻。一般地，鐓粗后坯料內(nèi)存在三個(gè)變形區(qū)，中部為大變形區(qū)，兩側(cè)表面附近為小變形區(qū)，而上下表面附近區(qū)域?yàn)殡y變形區(qū)。

圖4為鉛試件鐓粗36.4%坐標(biāo)網(wǎng)格法輸出的二維等效應(yīng)變等值線圖，由圖可明顯看出以上鐓粗變形分布特征。

圖4 ?50×35鉛試件平砧鐓粗36.4%的ES等值線圖

DEFORM模擬幾何模型?50×35兩種坯料鐓粗，模擬結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)后處理后，可輸出2D、3D多種變形分布結(jié)果。圖5、圖6為幾何模型?50×35普通鐓粗36.4%的ES等值線圖、ES立體區(qū)域分布圖及比例圖表等。

由以上模擬結(jié)果可看出，物理模擬與DEFORM仿真輸出的鐓粗變形分布基本是一致的，但物理模擬不僅實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，處理數(shù)據(jù)效率低下，研究周期長(zhǎng)，且輸出結(jié)果是二維的，僅限坯料子午面上的變形分布；而DEFORM仿真利用計(jì)算機(jī)建立幾何模型，只要嚴(yán)格參照實(shí)際工藝加工條件，模擬輸出的變形分析結(jié)果是可靠的，且更直觀精準(zhǔn)，由此得出的數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有較大的參考價(jià)值。

2.2 坯料內(nèi)部孔洞缺陷鍛合機(jī)理及鍛造效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖5 幾何模型?50×35普通鐓粗36.4%的ES二維等值線圖

圖6 ES立體區(qū)域分布及百分比例圖

通過(guò)DEFORM模擬幾何模型?50×35內(nèi)部設(shè)計(jì)孔洞在鐓粗過(guò)程中鍛合過(guò)程，可以研究孔洞缺陷閉合機(jī)理。圖7顯示了幾何模型中心孔洞鍛合過(guò)程,隨著鐓粗壓下率由0增大到35.7%,孔洞由圓形逐漸變成橢圓形，其短長(zhǎng)軸比b/a值可表示其閉合的程度，b/a由1變?yōu)?，最后壓合。

圖7 孔洞在鐓粗過(guò)程中閉合圖

圖8為變形模擬后繪制的孔洞處等效應(yīng)變ES及其閉合度b/a與鐓粗壓下率的關(guān)系圖表。由圖表看出，隨著鐓粗壓下率增大，孔洞處等效應(yīng)變ES值逐漸變大，而孔洞閉合度b/a逐漸變小，當(dāng)ES值達(dá)到0.7左右，b/a變成0。也即當(dāng)鐓粗壓下率達(dá)到36%以上時(shí)，坯料中心處的孔洞缺陷即可完全閉合。

如前所述，由于工具與坯料表面存在摩擦，坯料內(nèi)部變形是極不均勻的，變形大的區(qū)域鍛造效果好，鑄造缺陷得到很好消除，反之，變形小的區(qū)域，鍛造效果則差。

圖8 孔洞處ES值及其閉合度b/a與鐓粗壓下率關(guān)系圖表

等效應(yīng)變ES大區(qū)域比例Vd是一個(gè)定量反映鍛造效果、變形均勻性的指標(biāo)[5]。其定義為：在一個(gè)ES分布場(chǎng)中，V（ES）值在Vmin到Vmax之間波動(dòng)，存在如下V臨界值

Vt=Vmin+α△V

式中：Vt——V場(chǎng)臨界值；

△V——V場(chǎng)內(nèi)Vmax與Vmin之差；

α——比例臨界值系數(shù)，取值范圍0.6～0.8。

統(tǒng)計(jì)V≥Vt的ES分布在全變形場(chǎng)中的百分比，就是該變形場(chǎng)ES大區(qū)域比例Vd。

顯然對(duì)于變形后坯料內(nèi)部ES分布而言，Vd越大，得到較大變形的區(qū)域越大，鍛件內(nèi)部鑄態(tài)缺陷消除效果越好，變形分布越均勻，也即鍛造效果越好。圖9顯示試件平砧鐓粗36.4%后，沿子午面高度方向各孔洞閉合度與其ES分布圖，ES沿高度大區(qū)域在中部，而兩端部位是難變形區(qū)，可見大區(qū)域部分里的孔洞b/a值很小，趨近于0，而兩端部分的孔洞b/a值仍較大，表示孔洞缺陷未消除。該指標(biāo)可用于工藝之間的定量分析比較，為大鍛件工藝制定提供科學(xué)的依據(jù)。

圖9 試件平砧鐓粗36.4%沿子午面軸線高度方向ES值及各孔洞b/a值分布圖

2.3 普通鐓粗與凹型坯料鐓粗變形結(jié)果比較

圖10 凹型試件?50×35鐓粗結(jié)果

圖10為凹型試件?50×35鐓粗36.4%DEFORM輸出的ES等值線圖及ES立體區(qū)域分布圖，對(duì)比圖5、圖6試件?50×35普通鐓粗36.4%后輸出的ES分布圖，在相同壓下率情況下，凹型坯料鐓粗試件ES分布要均勻得多，鍛造效果要好得多。

采用凹型坯料鐓粗的目的就是改善坯料上下端面難變形部分的鍛造效果，消除鼓形，使坯料內(nèi)部ES分布狀態(tài)良好，即盡可能達(dá)到較大的ES大區(qū)域比例Vd值。圖11顯示兩種形式坯料鐓粗不同壓下率時(shí)ES大區(qū)域比例Vd對(duì)比情況，顯然，在同一壓下率條件下，凹型坯料的ES大區(qū)域比例Vd要大于普通鐓粗，當(dāng)壓下率大于26%以上時(shí)，凹坯的Vd值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通坯料，也即其鍛造效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過(guò)普通坯料鐓粗。

圖11 兩種坯料鐓粗ES大區(qū)域比例Vd隨壓下率變化圖表

圖12為兩試件在同一壓下率36.4%條件下等效應(yīng)變ES值沿子午面軸線方向分布對(duì)比圖。可見凹坯鐓粗試件兩端面區(qū)域的ES值明顯大于普通鐓粗，說(shuō)明凹坯鐓粗坯料端部也得到較好變形，鍛造效果明顯好于普通鐓粗。

圖12 等效應(yīng)變ES分布對(duì)比圖

圖13 孔洞閉合度b/a值對(duì)比圖

再?gòu)南髁蟽?nèi)部孔洞缺陷的角度比較兩種形式的鐓粗變形，圖13表示兩種坯料鐓粗36.4%沿試件子午面軸線各孔洞閉合度b/a值對(duì)比情況，可看出凹坯鐓粗各孔洞閉合度b/a都要小于普通鐓粗，尤其中部大變形區(qū)域孔洞鍛合效果更好。

3 大型鍛件鐓粗改進(jìn)工藝的實(shí)物驗(yàn)證

上海重型機(jī)械廠（SHMP）針對(duì)600MW RPV試制了實(shí)物鍛件，材料為16MnD5,采用的鍛造工藝為：鐓粗（1250℃）→沖孔（1230℃）→擴(kuò)孔（1230℃）→反復(fù)鐓孔（1220℃）→拔長(zhǎng)（1220℃）→擴(kuò)孔（1100℃）。如圖14所示為鍛造RPV的典型工藝[6]。

圖14 鍛造RPV的典型工藝

實(shí)物試驗(yàn)鍛造的RPV尺寸如圖15所示，注意取樣的上下環(huán)分別靠近坯料上下端面，其力學(xué)性能主要取決于鐓粗工序的鍛造效果。以前采用普通鐓粗，坯料上下端面的部分鍛造效果欠佳，上下試驗(yàn)環(huán)檢測(cè)的問(wèn)題是，鑄態(tài)組織特別樹枝晶粗大，切向力學(xué)性能不合格。采用鐓粗改進(jìn)方案后，坯料上下端面部分變形充分，上下試驗(yàn)環(huán)的金相及力學(xué)性能檢測(cè)都分別達(dá)到RPV所規(guī)定的要求。

圖15 RPV試制鍛件的上下試驗(yàn)環(huán)

4 結(jié)論

（1）物理模擬與DEFORM仿真模擬輸出的變形結(jié)果基本一致，后者使用計(jì)算機(jī)建模，效率高，計(jì)算分析周期短，得到的數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有較大的參考價(jià)值。

（2）等效應(yīng)變大區(qū)域比例指標(biāo)可用于大鍛件工藝的定量分析，由此得出的工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)較精準(zhǔn)，可信度高。

（3）在大鍛件鍛造過(guò)程中，孔洞缺陷的閉合需要等效應(yīng)變達(dá)到0.7以上，或壓下率達(dá)到36%以上的變形條件才能完成。

（4）經(jīng)模擬定量分析，凹坯鐓粗的鍛造效果要好過(guò)普通鐓粗，坯料端部的變形效果有很好的改善。