內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階厚壁短筒體成形工藝模擬分析

王光明，張紅穎，宋嘉瑋

內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階厚壁短筒體廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油工程、發(fā)電設(shè)備、交通運(yùn)輸業(yè)及新能源領(lǐng)域和重型裝備中，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響整臺(tái)設(shè)備的性能。在大型筒體臺(tái)階內(nèi)孔加工過程中，鍛造工藝通常是以內(nèi)孔臺(tái)階中最小直徑為基準(zhǔn)設(shè)置鍛造余量，鍛造成內(nèi)、外孔徑一致的直筒體，再通過機(jī)械加工獲得臺(tái)階內(nèi)孔。這種方案不但增加材料損耗及機(jī)械加工量，而且質(zhì)量較好的鍛造層被完全加工掉，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量及壽命。近些年，直接鍛造成形帶臺(tái)階內(nèi)孔的近凈成形工藝逐步成為主流[1～4]。如在鍛造筒體臺(tái)階內(nèi)孔時(shí)，在完成初步內(nèi)孔鍛造后，在常規(guī)芯棒上套接專用變徑套筒，鍛造出符合設(shè)計(jì)要求的大型筒體內(nèi)孔臺(tái)階；采用帶錐形支撐的專用組合芯棒，預(yù)拔長(zhǎng)成形帶外法蘭的預(yù)制鍛件，經(jīng)收口得到臺(tái)階內(nèi)孔筒體[1～5]。

上述方法多用于成形內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階的薄壁長(zhǎng)筒體，以及近凈成形內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階的厚壁短筒體鍛件，但在成形內(nèi)孔臺(tái)階落差較大時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)局部缺肉等缺陷。本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出一種成形內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階厚壁短筒體方法，利用數(shù)值模擬對(duì)內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階厚壁短筒體成形過程及影響因素進(jìn)行分析。

1 成形過程分析

某產(chǎn)品是內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階厚壁短筒體（見圖1）。該鍛件具有以下特點(diǎn)：（1） 內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階落差大，達(dá)到200 mm；（2） 最大壁厚930 mm；（3） 筒體高度較矮。

圖1 內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階厚壁短筒體形狀尺寸示意圖

考慮該厚壁短筒體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初定其主要鍛造流程：鋼錠下料→鐓粗→拔長(zhǎng)下料→鐓粗沖孔→芯棒拔長(zhǎng)→馬杠擴(kuò)孔→單側(cè)平整鐓粗→芯棒拔長(zhǎng)(內(nèi)孔成形凸臺(tái)) →馬杠擴(kuò)孔出成品。

1.1 單側(cè)平整鐓粗

單側(cè)平整鐓粗輔具上模采用寬平砧，下模采用回轉(zhuǎn)臺(tái)。數(shù)值仿真采用deform-3D 軟件進(jìn)行模擬（見表1）。

表1 單側(cè)平整鐓粗?jǐn)?shù)值仿真邊界條件設(shè)置

根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)平整量ΔH=300 時(shí)，平整一側(cè)端部外徑由?3 750 mm 增長(zhǎng)到? 4 050 mm，內(nèi)徑基本不變；非平整一側(cè)端部外徑由?3 750 mm增長(zhǎng)到?3 800 mm，內(nèi)徑也基本不變；當(dāng)平整量ΔH=600 時(shí)，平整一側(cè)外徑由?3 750 mm 增長(zhǎng)到?4 450 mm，內(nèi)徑由?2 100 mm 減小到?2 050 mm；非平整一側(cè)端部外徑由?3 750 mm 增長(zhǎng)到?3 900 mm，內(nèi)徑由?2 100 mm 增長(zhǎng)到?2 200 mm（見圖2）?？傊秸枯^小時(shí)，鍛坯內(nèi)孔尺寸減小不明顯。當(dāng)平整量較大時(shí)，僅在靠近平整側(cè)端面約400 mm 范圍內(nèi)的內(nèi)孔減小，而非平整側(cè)內(nèi)孔增大。非平整側(cè)與平整側(cè)外徑都增大，但平整側(cè)外徑增大更加明顯，筒體截面呈現(xiàn)“Y”型。因此，為避免芯棒拔長(zhǎng)內(nèi)孔成形凸臺(tái)時(shí)的變形量過大，在單側(cè)平整鐓粗前，對(duì)鍛坯內(nèi)徑應(yīng)適當(dāng)控制，保證能夠?qū)⒊尚问张_(tái)套順利放入鍛坯；此外，平整量也應(yīng)適當(dāng)增加。

圖2 單側(cè)平整鐓粗前后對(duì)比

1.2 芯棒拔長(zhǎng)內(nèi)孔成形凸臺(tái)

單側(cè)平整鐓粗后，進(jìn)行芯棒拔長(zhǎng)，期望在此工序預(yù)成形內(nèi)孔臺(tái)階。芯棒拔長(zhǎng)時(shí)，輔具采用上模上平砧，下模V 型砧；通過數(shù)值模擬可知，鍛坯內(nèi)孔臺(tái)階過渡區(qū)域容易出現(xiàn)缺肉缺陷（見圖3“A部”）。

圖3 芯棒拔長(zhǎng)內(nèi)孔成形凸臺(tái)數(shù)值模擬

因此，需要研究在不同工藝參數(shù)條件下內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階厚壁短筒體鍛件在單側(cè)平整鐓粗過程和芯棒拔長(zhǎng)階段的金屬流動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)合理的鍛坯形狀，提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 成形過程影響因素分析

2.1 鍛造溫度

選取950 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃、1 200 ℃、1 250 ℃五個(gè)溫度，分別對(duì)坯料芯棒拔長(zhǎng)內(nèi)孔成形凸臺(tái)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。從數(shù)值模擬結(jié)果可知，在坯料不發(fā)生熱傳導(dǎo)的前提下，芯棒拔長(zhǎng)收內(nèi)孔凸臺(tái)時(shí)，缺肉量不會(huì)因鍛造溫度變化而出現(xiàn)明顯差別（見圖4），但成形力隨鍛造溫度的降低而急速增大，尤其是當(dāng)鍛造溫度低于1 100 ℃以后，成形力急劇上升，當(dāng)鍛造溫度高于1 100 ℃后，成形力變化趨緩（見圖5）。

圖4 鍛造溫度對(duì)芯棒拔長(zhǎng)內(nèi)孔成形凸臺(tái)的影響

圖5 鍛造溫度對(duì)成形力的影響

2.2 寬平砧寬度對(duì)鍛件成形的影響

分別選取850 mm、1 200 mm、1 500 mm 寬平砧對(duì)單側(cè)平整鐓粗過程進(jìn)行數(shù)值模擬。從模擬結(jié)果可知，采用850 mm 窄寬度平砧進(jìn)行單側(cè)平整鐓粗時(shí)，鍛坯內(nèi)孔縮小至約?1 850 mm，外徑增大至約?4 650 mm；而采用1 200 mm 和1 500 mm 寬平砧進(jìn)行單側(cè)平整鐓粗時(shí)，鍛坯內(nèi)孔縮小至約?2 050 mm，外徑增大至約?4 450 mm（見圖6）。可見，采用寬度較窄的平砧對(duì)坯料單側(cè)平整鐓粗時(shí)，金屬更容易往徑向流動(dòng)。

圖6 寬平砧寬度對(duì)鍛件成形的影響

3 結(jié) 語

（1） 內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階厚壁短筒體采用單側(cè)平整鐓粗成形內(nèi)孔時(shí)，僅在靠近平整側(cè)端面附近的內(nèi)孔有減小趨勢(shì)，而非平整側(cè)內(nèi)孔有增大趨勢(shì)；采用寬度較窄的平砧對(duì)坯料單側(cè)平整鐓粗時(shí)，金屬更容易往徑向流動(dòng)。

（2） 采用專用芯棒成形內(nèi)孔，在收口時(shí)鍛坯內(nèi)孔臺(tái)階過渡區(qū)域容易出現(xiàn)缺肉缺陷。為避免芯棒拔長(zhǎng)內(nèi)孔成形凸臺(tái)時(shí)變形量過大，在單側(cè)平整鐓粗前，應(yīng)該適當(dāng)控制鍛坯的內(nèi)徑，保證成形收臺(tái)套能夠順利放入鍛坯。

（3） 在不考慮熱傳導(dǎo)的情況下，鍛造溫度與缺陷部位的缺肉量不會(huì)因鍛造溫度變化而出現(xiàn)明顯差別，但成形力隨鍛造溫度的降低急速增大，尤其當(dāng)鍛造溫度低于1 100 ℃以后，成形力急劇上升，鍛造溫度高于1 100 ℃后，成形力變化趨勢(shì)明顯變緩。因此，筆者建議芯棒拔長(zhǎng)內(nèi)孔成形凸臺(tái)時(shí)的鍛造溫度大于1 100 ℃。

經(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化，成功解決內(nèi)孔內(nèi)凹臺(tái)階厚壁短筒體局部嚴(yán)重缺肉問題，生產(chǎn)出合格鍛件。