基于Deform 的316L 六角螺栓頭部模鍛成形研究

文/李軼明，侯現(xiàn)倉(cāng)，祖印杰，宋冬，廉達(dá)，李澤奇·唐山首鋼京唐西山焦化有限責(zé)任公司，河北省煤焦化技術(shù)創(chuàng)新中心

螺栓是焦化廠最常用的零部件之一。螺栓由“頭部”“桿部”兩部分組成，且“桿部”有螺紋，通常用于緊固連接兩個(gè)或兩個(gè)以上的、帶有通孔的零件，在使用時(shí)通常需要螺母進(jìn)行配合。螺栓的種類很多，按螺栓頭部的形狀可分為外六角螺栓、內(nèi)六角螺栓、雙頭螺栓、圓頭螺栓、方形頭螺栓等。316L 不銹鋼具有耐腐蝕性、耐高溫性、抗蠕變性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于焦化廠的管道、換熱器板片、法蘭、閥門、螺栓等零件，對(duì)延長(zhǎng)設(shè)備、零件的壽命，提高設(shè)備的穩(wěn)定性等方面有很大的推動(dòng)作用。

螺栓頭部的成形一般采用模鍛成形，根據(jù)加工材料的不同，其成形工藝也有一定的不同，常用的工藝有冷模鍛、溫模鍛和熱模鍛。研究螺栓頭部的模鍛成形，有助于對(duì)其成形機(jī)理進(jìn)行分析和討論，能夠?yàn)槠涑尚芜^(guò)程提供一定的理論指導(dǎo)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外也有不少學(xué)者對(duì)螺栓頭部的成形工藝進(jìn)行了許多研究。付利國(guó)等對(duì)TA15 合金的高強(qiáng)度螺栓模鍛成形進(jìn)行了研究，并通過(guò)分析鍛件的顯微組織和力學(xué)性能，得到了適合TA15 合金螺栓模鍛成形的工藝參數(shù)。湯濤等對(duì)GH4169 合金十二角頭螺栓熱鐓成形過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真，并對(duì)成形工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Doddamani M R 等利用AFDEX 軟件模擬雙頭螺栓閉式模鍛成形工藝，對(duì)提高零件的使用壽命提供了一定的理論指導(dǎo)。H.，T.，Jin 等利用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了側(cè)螺栓的輥鍛工藝，并利用試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。R Rajiev 等利用ANSYS 軟件對(duì)平頭螺栓的成形過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真，并分析了摩擦對(duì)模具磨損及材料流動(dòng)規(guī)律的影響。S.，S.，Han 等提出了一種有效的方案來(lái)消除剛性或彈性區(qū)域的塑性變形，并且該方案成功應(yīng)用于模擬長(zhǎng)螺栓鍛造過(guò)程。林仕偉等研究了不銹鋼/碳鋼復(fù)合螺栓成形過(guò)程，得到了不銹鋼壁厚和熱鐓速度對(duì)成形結(jié)果的影響規(guī)律。趙慶云等通過(guò)有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的辦法，揭示了鈦合金六角頭螺栓的頭部成形原理和變形特點(diǎn)。但目前，有關(guān)316L 六角螺栓頭部模鍛成形的研究還相對(duì)較少。

因此，本文以焦化廠化工區(qū)域常用的316L 六角螺栓為研究對(duì)象，利用Deform-3D 有限元仿真軟件對(duì)316L 六角螺栓頭部的模鍛成形過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真，揭示了316L 六角螺栓頭部在模鍛成形中的變形機(jī)理，旨在為316L 六角螺栓頭部模鍛成形的實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

模鍛成形方案設(shè)計(jì)

本文研究的對(duì)象是焦化廠化工區(qū)域常用的316L不銹鋼六角螺栓，其規(guī)格尺寸為M12×50mm。圖1為設(shè)計(jì)的模鍛前的坯料尺寸圖，直徑為12mm，長(zhǎng)度為67.24mm。

圖1 模鍛前的坯料尺寸圖

設(shè)計(jì)所選用的材料為316L 不銹鋼(00Cr17Ni14Mo2)，其具體成分如表1所示。為了使316L 不銹鋼在成形過(guò)程中充分發(fā)揮其良好的塑性加工性能，保持更穩(wěn)定的金相組織，成形的方式采用的是模鍛成形。

表1 316L 不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

整個(gè)成形過(guò)程分為三個(gè)階段：第一階段為坯料與周圍環(huán)境之間的換熱過(guò)程；第二階段為坯料與模具之間的換熱過(guò)程；第三階段為坯料的模鍛成形過(guò)程。其具體的有限元仿真過(guò)程在下一節(jié)做具體分析。

模鍛成形數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

有限元模型的假設(shè)

在六角螺栓模鍛成形過(guò)程中，“頭部”是主要變形區(qū)域，并且“頭部”的變形主要分為兩種形式：一是軸向的壓縮；二是徑向的延展。同時(shí)還要將鍛件與周圍環(huán)境及模具之間的換熱過(guò)程、模具材料的選擇等因素都考慮進(jìn)來(lái)。因此，在六角螺栓的有限元模型設(shè)計(jì)過(guò)程中，做出了如下假設(shè)。

⑴定義上、下模具均為剛性體。在六角螺栓的實(shí)際成形中，模具的變形非常小，可視為不發(fā)生變形，且對(duì)于模具的磨損也忽略不計(jì)。因此，在有限元仿真中也這樣設(shè)置，與實(shí)際保持一致。

⑵定義鍛件為塑性體。在六角螺栓模鍛成形中，鍛件發(fā)生的是永久的塑性變形和彈性變形。其中，永久的塑性變形是主要目的，而將彈性變形忽略不計(jì)。因此，在有限元仿真中也將鍛件設(shè)置成塑性體。

⑶上模具勻速運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際成形中，模具的運(yùn)動(dòng)速度不是一個(gè)恒定的值，而是一個(gè)加速-勻速-減速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但為了方便研究模鍛過(guò)程，將上模具的運(yùn)動(dòng)定義為勻速運(yùn)動(dòng)。

⑷均勻性假設(shè)。鍛件在實(shí)際的變形過(guò)程中，各部位并不是均勻變形的，但模鍛又是對(duì)稱的成形工藝，且鍛件也為對(duì)稱的塑性體，但在研究時(shí)，將鍛件的受力、變形假設(shè)為均勻的。

傳熱邊界條件的設(shè)置

在六角螺栓的模鍛成形中，傳熱邊界條件對(duì)模鍛結(jié)果有很大影響。因?yàn)樵谀ｅ戇^(guò)程中，鍛件會(huì)與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換、與模具發(fā)生熱傳遞，同時(shí)還會(huì)由于摩擦及變形產(chǎn)生熱。因此，在有限元仿真中要將這些因素對(duì)模鍛結(jié)果的影響考慮進(jìn)來(lái)。表2 給出了316L 六角螺栓模鍛成形過(guò)程中的相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置情況。

表2 316L 六角螺栓模鍛仿真工藝參數(shù)

遵循的損傷準(zhǔn)則

鍛件在模鍛成形中會(huì)產(chǎn)生斷裂、損傷等現(xiàn)象，因此在模擬六角螺栓模鍛成形時(shí)，要添加損傷準(zhǔn)則。斷裂損傷準(zhǔn)則有許多種，本文選用的是Deform 默認(rèn)的Crockroft-Latham(C-L)損傷準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則形式簡(jiǎn)單、易于嵌入到有限元軟件中，適用于絕大多數(shù)的模鍛成形數(shù)值模擬，其表達(dá)式如下：

式中：

——最大主應(yīng)力；

——斷裂應(yīng)變積分能量W 的臨界值；

——等效塑性應(yīng)變。

模型的建立

圖2 為焦化廠化工區(qū)域常用的一種316L 不銹鋼六角螺栓尺寸示意圖，其規(guī)格尺寸為M12×50mm。

圖2 模鍛后的工件圖

模鍛過(guò)程仿真通過(guò)Deform 6.1 來(lái)完成。首先利用CREO 繪制出六角螺栓坯料和上、下模具的三維模型，并保存成.STL 格式，然后將其導(dǎo)入Deform 軟件的前處理中，建立模鍛過(guò)程的有限元模型。接著對(duì)導(dǎo)入的模具和坯料進(jìn)行基本參數(shù)的設(shè)置，并對(duì)其位置、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、熱交換參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，如圖3 所示。最后生成有限元仿真數(shù)據(jù)庫(kù)，開始進(jìn)行模鍛過(guò)程數(shù)值模擬。模擬過(guò)程共設(shè)置850 步，其中前50 步為坯料與周圍環(huán)境間的熱交換過(guò)程，50 ～100 步為坯料與模具及周圍環(huán)境間的傳熱、換熱過(guò)程，100 ～850 步為坯料模鍛成形過(guò)程。模鍛過(guò)程簡(jiǎn)圖如圖4 所示，步長(zhǎng)間隔為250 步。其中，為了更清楚地了解坯料在模鍛成形中各部位的變化情況，選取模型的1/2 進(jìn)行觀察。

圖3 有限元模擬

圖4 模鍛過(guò)程簡(jiǎn)圖

結(jié)果與討論

鍛件等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖5 為螺栓鍛件在模鍛成形過(guò)程中的等效應(yīng)力場(chǎng)的分布圖。從圖中可以看出，螺栓鍛件應(yīng)力主要集中在“頭部”，因?yàn)椤邦^部”為主要變形區(qū)域；模鍛開始時(shí)，應(yīng)力主要集中在鍛件“頭部”與“桿部”連接的地方，隨著模鍛的進(jìn)行，分布在鍛件上的應(yīng)力有所增大，且最大應(yīng)力區(qū)域逐漸向“頭部”的中心移動(dòng)。到了模鍛后期，螺栓鍛件整體的應(yīng)力逐漸減小到0，標(biāo)志著成形結(jié)束。圖中顯示，最大應(yīng)力為3390MPa，這是由于模鍛后期可能存在 “飛邊”，“飛邊”處的應(yīng)力在模具的擠壓下，可能會(huì)很大，屬于正常現(xiàn)象。

圖5 模鍛過(guò)程鍛件等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖

鍛件等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖

圖6 為螺栓鍛件的等效應(yīng)變隨著時(shí)間的變化情況。從圖中可看出，鍛件的高應(yīng)變區(qū)域主要分布在鍛件“頭部”的中心位置，由中心向邊緣，應(yīng)變逐漸變小，應(yīng)變區(qū)域整體呈軸對(duì)稱分布。隨著模鍛的進(jìn)行，應(yīng)變逐漸變大，進(jìn)入模鍛末期，鍛件“頭部”中心位置成形基本完成，邊緣位置還在繼續(xù)，故中心的應(yīng)變低于邊緣。最后，鍛件“頭部”的邊緣位置的應(yīng)變最高為2.92，這是由于在上、下模具的作用下，鍛件要充滿整個(gè)模具，而邊緣又是最難到達(dá)的位置，故受到的力較大，應(yīng)變也就最大。

圖6 模鍛過(guò)程鍛件等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖

鍛件金屬流動(dòng)規(guī)律圖

圖7 給出了螺栓鍛件在成形過(guò)程中的金屬流動(dòng)情況。由圖可知，鍛件“頭部”的金屬流動(dòng)速度從上往下由大變小，這是由于鍛件在成形過(guò)程中，上模具為主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)鍛件向下運(yùn)動(dòng)，故鍛件“頭部”的上部分的運(yùn)動(dòng)要超前于下部分，產(chǎn)生的形變也快于下部分，故金屬流動(dòng)速度也最大。從整體來(lái)看，鍛件“頭部”上部分的金屬流動(dòng)主要為軸向運(yùn)動(dòng)，下部分的金屬流動(dòng)軸向、徑向都有，這說(shuō)明螺栓鍛件“頭部”的成形是軸向壓縮和徑向延伸的混合變形。整個(gè)模鍛過(guò)程中，金屬流動(dòng)的速度呈先增大后減小的趨勢(shì)變化，進(jìn)入模鍛后期，速度逐步趨于為0。

圖7 模鍛過(guò)程鍛件金屬流動(dòng)規(guī)律圖

鍛件溫度場(chǎng)分布圖

圖8 記錄了螺栓鍛件溫度場(chǎng)隨著模鍛進(jìn)程的變化。其中前100 步為鍛件與模具及周圍環(huán)境的換熱過(guò)程。在100 步時(shí)，鍛件中心位置的溫度高于表面，這是由于鍛件表面與模具接觸，發(fā)生了熱傳導(dǎo)。隨著變形繼續(xù)，鍛件的溫度逐漸升高，最高溫度可達(dá)1400℃，最高溫度主要出現(xiàn)在螺栓鍛件“頭部”的中心位置，這是由于“頭部”是主要的變形區(qū)域，鍛件發(fā)生塑性變形，金屬大量流動(dòng)，金屬晶體發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，摩擦?xí)菇饘馘懠a(chǎn)生內(nèi)能，故溫度高于其他區(qū)域。隨著模鍛的進(jìn)程，螺栓鍛件的溫度先增大后降低，模鍛完成時(shí)，鍛件溫度最低，然后進(jìn)入自然降溫階段。

圖8 模鍛過(guò)程鍛件溫度場(chǎng)圖

結(jié)論

⑴螺栓鍛件的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、金屬流動(dòng)速度等在模鍛過(guò)程中均呈對(duì)稱分布，說(shuō)明螺栓鍛件在模鍛成形過(guò)程中，同一截面上的所有位置變形都是均勻的。

⑵螺栓頭部的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、金屬流動(dòng)速度均隨著模鍛成形的進(jìn)程呈先增大后減小的趨勢(shì)變化。

⑶“頭部”是螺栓鍛件的主要變形區(qū)域，該區(qū)域的變形主要有兩種類型：一是軸向壓縮；二是徑向延伸。螺栓鍛件的心部變形主要以壓縮變形為主，鍛件的表層則是壓縮變形及剪切變形的混合變形。

⑷通過(guò)分析螺栓鍛件在模鍛過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、金屬流動(dòng)速度等變化規(guī)律，揭示了螺栓鍛件成形機(jī)理，對(duì)螺栓“頭部”模鍛成形具有一定的指導(dǎo)意義。