鋼錠開坯過程空洞缺陷閉合過程的數值模擬研究

郭 倫 郭 猛 范成楨

(重慶長征重工有限責任公司，重慶400083)

大型鍛件的技術要求嚴格，綜合力學性能很高，并且要求有良好的內部組織，能否生產出高質量的大鍛件成為了衡量一個國家工業(yè)水平和國防實力的標志之一[1-2]。而由于用于大型鍛件的鋼錠尺寸較大，在鑄造過程中，不同位置的材料溫度不均勻，在冷卻較慢的鑄錠心部區(qū)域因材料凝固收縮而產生縮孔、縮松等空洞缺陷[3]。這些空洞缺陷會破壞金屬基體的連續(xù)性，造成應力集中和裂紋產生，嚴重影響大型鍛件的質量[4]。因此，大型鍛件的鍛造過程，不僅僅是鍛件的成形過程，更重要的是修復缺陷、改善組織的過程[5]。故為了研究開坯過程空洞閉合情況，本文采用DEFORM-3D數值模擬軟件，對單重23 t 34CrNiMoA鋼錠鐓粗過程進行數值模擬，研究空洞在鐓粗過程中的變化規(guī)律，獲得空洞閉合表征參數Q值，然后用Q值判斷拔長過程空洞是否閉合，研究結果對34CrNiMoA鋼錠開坯鍛造具有一定的指導意義。

1 鐓粗過程空洞演變規(guī)律

為了研究鋼錠開坯過程空洞的演變過程，對鐓粗過程進行有限元模擬。模擬所用材料為34CrNiMoA材料，鋼錠重量23 t，模型尺寸為?1200 mm×2200 mm，鉗把尺寸?650 mm×800 mm，如圖1所示。為了研究空洞位置對閉合情況的影響，沿模型軸線方向設置7個空洞，空洞直徑約為D/30(D為鋼錠直徑)，孔洞位置用P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7表示，且空洞沿軸線均布，如圖2所示。

圖1 鐓粗模型Figure 1 Upsetting model圖2 孔洞位置圖Figure 2 Hole location

模擬所用軟件為DEFORM-3D，鐓粗模型有限元網格劃分為200 000，中心細化1/10 000。上、下砧模型如圖3所示，劃分網格數為100 000。模擬參數分別為：工件溫度1250℃，上下砧溫度為300℃，壓下速度20 mm/s，對模具的熱交換系數為2 N/(s·mm·℃)，對空氣的熱交換系數為0.02 N/(s·mm·℃)，摩擦系數為0.3。

另外，為了研究空洞閉合情況，現引入參數k來表征空洞的閉合度，如式(1)所示[6]。

(1)

式中，d為空洞直徑，hz為空洞在Z軸上的投影長度。當k=1時，表示空洞閉合，此時，hz=0；當k=0時，表示空洞沒有變形，此時，hz=d。

圖3 上、下砧模型Figure 3 Upper and lower anvil models

圖4 空洞閉合情況模擬結果Figure 4 Simulation results of cavity closure

空洞閉合情況的模擬結果如圖4所示。通過測量獲得不同壓下量下各個空洞對應的Z方向投影長度?；跍y量數據和式(1)，得到每個空洞的閉合度與壓下量的關系如圖5所示。由圖5可知，隨著壓下量的增大，空洞開始變形，然后閉合；當壓下量為50%時，除難變形區(qū)的P1和P7位置外，其他區(qū)域的空洞全部閉合?？斩撮]合的先后順序為P3、P4、P5、P2、P6。

圖5 閉合度與壓下率的關系Figure 5 The relation between closure and reduction rate

2 空洞閉合判斷條件

在變形材料內部的任意位置及變形過程的任意時刻，材料內部孔洞的閉合情況可以用閉合參數Q來表示。其值可由孔洞周圍的應力、應變求得。參數Q與應力、應變之間的關系見式(2)[7]。

(2)

式中，εe為等效應變，σm為靜水應力，σe為等效應力。

將式(2)二次開發(fā)到DEFORM軟件中，借助有限元數值模擬獲得Q值，利用Q值判斷變形過程空洞的閉合情況。

為了獲得各個空洞變形過程對應的Q值，在DEFORM-3D后處理中輸出P2、P3、P4、P5、P6位置處空洞閉合(對應圖4所確定的壓下量)時的Q值以及壓下量為50%時P1、P7位置處的Q值，如圖6所示。

圖6 不同位置空洞閉合時的Q值Figure 6 Q values of cavities closed at different positions

由圖6可知，P2～P6空洞(閉合時的壓下率分別為34%(P3)、35%(P4)、40%(P5)、41%(P2)、46%(P6))閉合時的Q值大約是0.3。另外，當壓下率為50%時，由圖4可知，P1、P7空洞還沒有閉合，而由圖6可知，P1、P7位置處Q值很小，大約在0.025～0.125之間，遠小于0.3。

3 空洞尺寸對Q值影響

為了研究空洞尺寸對Q值的影響規(guī)律，現取空洞直徑d分別為鋼錠直徑D的1/10、1/20、1/30、1/40進行研究，空洞位于鋼錠直徑的中心，模擬參數與前面相同，采用平砧進行鐓粗。不同尺寸空洞的模擬結果如圖7所示。

圖7 不同尺寸空洞的模擬結果Figure 7 Simulation results of cavities of different sizes

為了研究空洞尺寸對Q值的影響，跟蹤不同尺寸空洞閉合時的Q值，如圖8所示。由圖8可以看出，當空洞尺寸分別為D/、D/30、D/40時，空洞閉合時的Q值都大約等于0.3；當空洞尺寸大于D/20時，空洞閉合時的Q值增大；當空洞尺寸為D/10時，空洞閉合時的Q值達到了0.61。根據實際情況，空洞尺寸一般會小于鋼錠直徑的1/20，故空洞尺寸對Q值基本沒有影響，Q值基本上是一個常數，即Q=0.3。結合前面鐓粗過程的模擬情況可知，將Q=0.3作為空洞閉合的判斷條件。

圖8 不同尺寸空洞閉合時的Q值Figure 8 Q values of cavities of different sizes when closed

4 基于Q值的拔長工藝評價

基于實際鍛造工藝，建立坯料尺寸為?1700 mm×1080 mm，鉗把尺寸為?650 mm×800 mm的有限元模型，坯料示意圖見圖9，劃分網格為200 000。由鐓粗變形過程可知，難變形區(qū)的空洞在鐓粗階段閉合不了，故拔長工藝主要研究鐓粗的難變形區(qū)的空洞在拔長過程的閉合情況?，F在采用Q值來評價難變形區(qū)空洞閉合情況。進行5道次拔長，拔長的工藝參數和變形條件與鐓粗一致。拔長所采用的平砧如圖10。5道次拔長的模擬結果如圖11所示，5道次后變形區(qū)中心區(qū)域的等效應力和靜水應力如圖12所示。為了判斷鐓粗后難變形區(qū)未閉合的空洞在拔長過程中能否閉合，跟蹤鐓粗后難變形區(qū)未閉合空洞處的Q值，得到每道次后的Q值如圖13所示。

圖9 拔長坯料示意圖Figure 9 Schematic diagram of drawing blanks

圖10 拔長平砧示意圖Figure 10 Schematic diagram of flat anvil for drawing

圖11 5道次拔長模擬結果Figure 11 Simulation results of drawing with 5 passes

由圖12(a)可知，在5道次壓完后，拔長變形區(qū)中心區(qū)域等效應力較大，有利于通過鍛造來消除鍛件心部的缺陷。由圖12(b)發(fā)現，中心區(qū)域的靜水壓力為負，說明該區(qū)域受壓，有利于消除心部缺陷。從圖13可以看出鐓粗后難變形區(qū)未閉合空洞處每道次鍛造后Q值是累增的，第一道次鍛造后其值為0.02，第二道次、三道次、四道次、五道次分別為0.055、0.153、0.229、0.411。由空洞閉合的判斷條件Q=0.3可知，經過5道次拔長，鐓粗難變形區(qū)未閉合的空洞完全閉合了。

5 結論

本文采用有限元模擬技術結合實際鍛造工藝，研究了34CrNiMoA材料鋼錠開坯過程空洞演變規(guī)律，得到以下結論：

(1)通過數值模擬空洞演變過程，鐓粗過程沿軸線的空洞當壓下量為50%時，除難變形區(qū)外，其他部位的空洞都可以完全閉合。

(2)當空洞直徑不大于鋼錠直徑的1/20時，空洞尺寸對空洞閉合表征參數Q的臨界值基本沒有影響，其值為0.3。

(3)經過5道次拔長，鐓粗難變形區(qū)未閉合的空洞完全可以閉合。