基于DEFORM 大型筒體件鍛造工藝改進(jìn)方面的研究

何利東，李海榮，張澤磊

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

1 引言

大型筒體件是核電、石化、水電等能源領(lǐng)域重大技術(shù)裝備的核心零部件，產(chǎn)品質(zhì)量直接影響到重大裝備的運(yùn)行可靠性。以核反應(yīng)堆壓力殼（Reactor Pressure Vessel，RPV）大型鍛件為例（圖1），由于其要長(zhǎng)期承受高溫高壓和放射性輻照，為保證核電站安全運(yùn)行，所以RPV 必須達(dá)到各種嚴(yán)格的性能要求。在RPV 的成形制造過(guò)程中，組織性能控制，即晶粒細(xì)化和晶粒均勻化控制，成為保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在。鍛造工藝既能使產(chǎn)品外觀初步成形，消除鑄態(tài)組織及內(nèi)部缺陷，同時(shí)使晶粒細(xì)化、均勻化[1]。擴(kuò)孔的作用是減小空心坯料壁厚使其外徑和內(nèi)徑同時(shí)增大，是鍛制RPV 過(guò)程中比較重要的成形工步。但目前工程上制定擴(kuò)孔工藝時(shí)大都使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其的認(rèn)識(shí)基本上還處于定性階段。

圖1 核反應(yīng)堆壓力殼結(jié)構(gòu)意圖

本文簡(jiǎn)述了DEFORM 仿真技術(shù)在大型筒體件擴(kuò)孔工藝研究方面的應(yīng)用，其研究結(jié)果對(duì)目前RPV鍛件工藝的制定具有參考價(jià)值，而且驗(yàn)證并豐富了傳統(tǒng)金屬塑性成形理論。

2 RPV 的實(shí)際生產(chǎn)工藝及基于DEFORM 擴(kuò)孔工藝研究方案設(shè)計(jì)

上海重型機(jī)械廠（SHMP）鍛造600MW RPV 大型筒體件一般采用如下的典型工藝：鐓粗（1250℃）→沖孔（1230℃）→擴(kuò)孔（1230℃）→反復(fù)鐓擴(kuò)（1220℃）→拔長(zhǎng)（1220℃）→擴(kuò)孔（1100℃）。RPV 的材料采用16MnD5，類似于國(guó)外的ASME SA508cl.3,表1 為該鋼種成分表[2]。ASME SA508cl.3 是一種低碳、低合金、高強(qiáng)度、高韌性的合金結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的可鍛性和可焊性，其高溫力學(xué)性能完全符合RPV 的制造條件要求。

表1 ASME SA508cl.3 鋼成分（%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

目前鍛造業(yè)界越來(lái)越重視晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)RPV 產(chǎn)品最終性能的影響，并逐步采取工藝措施細(xì)化晶粒組織，均勻晶粒分布。研究表明，鍛件晶粒度跟該處的等效應(yīng)變成正比關(guān)系，即該處的應(yīng)變?cè)酱?，其?dòng)、靜態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)越大，其晶粒越細(xì)小，圖2 的實(shí)驗(yàn)照片清楚地顯示了晶粒度與等效應(yīng)變的這種關(guān)系[3]。同時(shí)，研究也表明變形越均勻，鍛造得到的晶粒組織也越均勻。

圖2 晶粒度與變形大小的關(guān)系實(shí)驗(yàn)照片(左→右：等效應(yīng)變逐漸變小，晶粒組織逐漸變粗）

圖3 DEFORM模擬擴(kuò)孔變形的三維示意圖

本文針對(duì)大型筒體鍛件的實(shí)際生產(chǎn)工藝，采用DEFORM仿真對(duì)擴(kuò)孔變形的特征和機(jī)理進(jìn)行了定量的探索研究，以求獲得最佳的工藝參數(shù)，使鍛件內(nèi)部盡可能得到較好的應(yīng)變分布，獲得良好的鍛造效果。圖3 為用DEFORM模擬擴(kuò)孔變形的三維示意圖。在數(shù)字模擬建模過(guò)程中，根據(jù)相似理論的原理，確定幾何模型尺寸及各熱加工參數(shù)，這樣得到的結(jié)果才有實(shí)際參考價(jià)值[4]。具體方案為，建立一組不同形狀因子的筒體狀幾何模型：（D-d）/H，式中，D 為鍛件外徑，d 為鍛件內(nèi)徑，H 為鍛件高度，如圖4 所示，模擬不同形狀因子、砧寬比、鍛造溫度及不同壓下率條件下擴(kuò)孔變形過(guò)程，從而確定擴(kuò)孔工藝的優(yōu)化參數(shù)。根據(jù)SHMP 的ESR 鋼錠尺寸而設(shè)計(jì)的幾何模型尺寸為?80mm×56mm，H/D=0.7,實(shí)物模型大小比例為34:1。模型沖孔后內(nèi)徑d 為?48mm，3 個(gè)擴(kuò)孔模型的形狀因子（D-d）/H 分別為0.57、0.95 和1.44，相當(dāng)于ESR鋼錠分別鐓粗0%、21.4%及35.7%后再芯軸擴(kuò)孔，由于其形狀因子不同，擴(kuò)孔變形的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)也不同，因而對(duì)擴(kuò)孔的變形效果產(chǎn)生影響，本文將研究這種影響作用。DEFORM 模擬擴(kuò)孔變形后將輸出2D/3D 數(shù)據(jù)結(jié)果以進(jìn)行分析。

圖4 不同擴(kuò)孔形狀因子的幾何模型尺寸

3 基于DEFORM 大型筒體件擴(kuò)孔工藝仿真研究輸出結(jié)果分析

3.1 擴(kuò)孔變形數(shù)據(jù)后處理得到的幾種輸出結(jié)果

以幾何模型?80×56 擴(kuò)孔壓下率10%為例，圖5表示沿模型子午面分布的變形破壞值等值線圖，破壞值越大，表示工藝變形出現(xiàn)裂紋破壞的可能性越大，擴(kuò)孔鍛件端部應(yīng)力狀態(tài)欠佳，出現(xiàn)拉應(yīng)力分量，當(dāng)超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)即出現(xiàn)裂紋。破壞值越小，表示變形越安全。

圖5 幾何模型?80×56 擴(kuò)孔壓下率10%變形破壞值沿子午面分布圖

圖6 表示等效應(yīng)變等值線沿模型子午面的2D分布圖。圖7 則表示等效應(yīng)變?cè)谀Ｐ椭械?D 分布圖及各部分的體積百分率圖表。根據(jù)等效應(yīng)變分布圖可以看出擴(kuò)孔變形分布特征。擴(kuò)孔鍛件子午面大變形區(qū)域位于靠近擴(kuò)孔內(nèi)壁的長(zhǎng)條形區(qū)域，而其余靠近筒體件外壁的長(zhǎng)形區(qū)域?yàn)樾∽冃螀^(qū)或剛性區(qū)。也就是說(shuō)，得到足夠變形的大區(qū)域（即等效應(yīng)變大區(qū)域比例部分）鍛造效果較好，晶粒組織較細(xì)小。圖8 為使用坐標(biāo)網(wǎng)格法繪制的擴(kuò)孔形狀因子0.95 壓下率7.5%等效應(yīng)變大區(qū)域分布圖，可見(jiàn)跟DEFORM仿真的結(jié)果是一致的。

圖6 幾何模型?80×56 擴(kuò)孔壓下率10%等效應(yīng)變等值線沿子午面分布圖

圖7 幾何模型?80×56 擴(kuò)孔壓下率10%等效應(yīng)變分布立體圖及各部分百分比例圖表

圖8 基于坐標(biāo)網(wǎng)格法繪制的試件?90×44擴(kuò)孔壓下率7.5%等效應(yīng)變大區(qū)域分布圖

芯軸擴(kuò)孔的變形特點(diǎn)有點(diǎn)近似于拔長(zhǎng)，它是環(huán)形坯料沿圓周方向的拔長(zhǎng)，是局部加載，整體受力。坯料變形區(qū)呈扇形，與芯軸接觸面積較窄，與上砧接觸面較寬，根據(jù)最小阻力定律，變形區(qū)的金屬主要沿切向方向流動(dòng)。坯料擴(kuò)孔變形，相當(dāng)于受到上平砧和下凸砧的壓縮作用，由于坯料與上砧和芯軸存在摩擦阻力，因而坯料子午面應(yīng)變分布類似于鐓粗的變形特征，但大變形區(qū)往芯軸（下凸砧）偏移。

圖9 表示幾何模型?80×56 擴(kuò)孔壓下率10%載荷隨時(shí)間變化情況。該載荷反映了擴(kuò)孔金屬材料變形抗力大小，取決于金屬材料種類、鍛造溫度、擴(kuò)孔形狀因子、變形速率及工具形狀等因素，該載荷越小，需要設(shè)備噸位越小，需要的能耗少，說(shuō)明加工越容易，該指標(biāo)也可用于各工藝好壞的對(duì)比分析。

圖9 幾何模型?80×56 擴(kuò)孔壓下率10%載荷隨時(shí)間變化圖表

3.2 鍛件形狀因子對(duì)擴(kuò)孔變形的影響

圖10 表示擴(kuò)孔破壞值跟工件形狀因子的關(guān)系圖表。從圖表看出，形狀因子越大，變形越安全，變形出現(xiàn)裂紋等缺陷的可能性變小。

圖10 擴(kuò)孔變形破壞值跟形狀因子的關(guān)系圖表

圖11 表示鍛件子午面分布的等效應(yīng)變均值跟其形狀因子的關(guān)系圖表。由圖看出，形狀因子越大，應(yīng)變場(chǎng)等效應(yīng)變均值越低，說(shuō)明金屬流動(dòng)越困難。

圖11 等效應(yīng)變均值與形狀因子的關(guān)系圖表

圖12 表示等效應(yīng)變大區(qū)域比例與形狀因子的關(guān)系圖表。等效應(yīng)變大區(qū)域比例是評(píng)價(jià)鍛造效果的指標(biāo)，該指標(biāo)越大，變形效果及均勻性越好。由圖看出，鍛件形狀因子越大，等效應(yīng)變大區(qū)域比例降低，說(shuō)明變形效果變差。

圖13 表示擴(kuò)孔載荷與鍛件形狀因子的關(guān)系圖表。由圖看出，鍛件形狀因子越大，擴(kuò)孔載荷降低，變形越容易進(jìn)行，加工成本降低。

圖12 等效應(yīng)變大區(qū)域比例與形狀因子的關(guān)系圖表

圖13 擴(kuò)孔載荷與鍛件形狀因子的關(guān)系圖表

綜上所述，從變形場(chǎng)等效應(yīng)變分布角度分析，鍛件形狀因子≤0.57 的鍛造效果較好。

從實(shí)際擴(kuò)孔工藝看，鍛件形狀因子（D-d）/H=2t/H，其中t 為鍛件壁厚，也即形狀因子越大，相對(duì)壁厚越大。前面說(shuō)過(guò)，芯軸擴(kuò)孔是局部受壓，變形部分金屬流動(dòng)受其他未變形外端的限制，金屬流動(dòng)阻力與相對(duì)壁厚（鍛件形狀因子）成正比，這就是形狀因子越大變形效果變差的原因。

3.3 砧寬比對(duì)擴(kuò)孔變形的影響

圖6 幾何模型?80×56 擴(kuò)孔壓下率10%的砧寬比為B/D=0.7, 圖14 為該模型擴(kuò)孔壓下率10%采用窄砧B/D=0.35 時(shí)繪制的等效應(yīng)變等值線沿子午面的分布圖。由圖看出，窄砧擴(kuò)孔變形時(shí)鍛件形狀變得不規(guī)則，可能后續(xù)還要增加修正工序。

圖14 幾何模型?80×56 壓下率10%窄砧擴(kuò)孔時(shí)等效應(yīng)變分布圖

圖15 為擴(kuò)孔破壞值與砧型的關(guān)系圖表，可見(jiàn)窄砧擴(kuò)孔出現(xiàn)裂紋缺陷的可能性大于寬砧。

圖15 擴(kuò)孔破壞值與砧型的關(guān)系

圖16、圖17 分別是等效應(yīng)變均值及等效應(yīng)變大區(qū)域比例與擴(kuò)孔砧型的關(guān)系圖表，由圖可知，擴(kuò)孔采用寬砧的鍛造效果好于窄砧。圖18 為擴(kuò)孔載荷與砧型的關(guān)系圖表，顯然采用窄砧擴(kuò)孔的載荷小于寬砧。從最小阻力定律可以解釋以上DEFORM輸出的結(jié)果。采用寬砧擴(kuò)孔，金屬主要沿環(huán)切向方向流動(dòng)，沿高度方向流動(dòng)量較少。而采用窄砧擴(kuò)孔，變形區(qū)域除受切向兩固定端影響外，還受緊鄰它的沿高度方向的固定端的影響，故變形阻力大于寬砧擴(kuò)孔，因而從等效應(yīng)變角度分析，寬砧的變形效果好于窄砧。

圖16 等效應(yīng)變均值與擴(kuò)孔砧型的關(guān)系圖表

圖17 等效應(yīng)變大區(qū)域比例與擴(kuò)孔砧型的關(guān)系圖表

圖18 擴(kuò)孔載荷與砧型的關(guān)系圖表

3.4 鍛造溫度對(duì)擴(kuò)孔變形的影響

研究方案設(shè)計(jì)了幾何模型?80×56 采用寬砧分別在鍛造溫度1050℃、1150℃及1250℃下進(jìn)行擴(kuò)孔變形。圖19、20 分別為擴(kuò)孔破壞值及等效應(yīng)變均值與鍛造溫度的關(guān)系圖表。由圖表看出，鍛造溫度變動(dòng)對(duì)等效應(yīng)變均值影響不大，而擴(kuò)孔破壞值隨鍛造溫度升高略有減小。

圖19 擴(kuò)孔破壞值與鍛造溫度的關(guān)系圖表

圖20 等效應(yīng)變均值與鍛造溫度的關(guān)系圖表

圖21、圖22 分別為擴(kuò)孔載荷及等效應(yīng)變大區(qū)域比例與鍛造溫度的關(guān)系圖表，可見(jiàn)隨鍛造溫度升高，擴(kuò)孔載荷降低，而等效應(yīng)變大區(qū)域比例則減小，表明擴(kuò)孔變形效果變差。

鍛造溫度變動(dòng)對(duì)擴(kuò)孔變形的影響之所以出現(xiàn)以上結(jié)果，原因是隨溫度升高，金屬塑性增加，變形抗力減小，故鍛件出現(xiàn)裂紋缺陷可能性減小，變形載荷也降低，但變形分布均勻性變差，也即變形效果變差。

圖21 擴(kuò)孔載荷與鍛造溫度的關(guān)系圖表

圖22 等效應(yīng)變大區(qū)域比例與鍛造溫度的關(guān)系圖表

4 結(jié)論

（1）芯軸擴(kuò)孔鍛件內(nèi)部的變形分布特征是，沿子午面大變形區(qū)位于靠近筒體件內(nèi)壁的長(zhǎng)條形區(qū)域，而其余靠近筒體件外壁的區(qū)域存在小變形區(qū)、剛性區(qū)。

（2）擴(kuò)孔變形鍛件形狀因子≤0.57（筒體件相對(duì)壁厚≤0.28）的鍛造效果較好。

（3）擴(kuò)孔變形寬砧的變形效果好于窄砧。

（4）鍛造溫度約1050℃左右擴(kuò)孔變形分布較好。