郭改麗 程鞏固 安紅萍 劉建生 向 偉

(1.太原科技大學大鍛件技術(shù)研究所，山西030024；2.二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，煉油、石化、煤化工核電等行業(yè)采用的壓力容器呈現(xiàn)出大型化的發(fā)展趨勢，特別是大直徑、大壁厚的加氫反應器、煤液化反應器等的出現(xiàn)，對制造行業(yè)提出了新的課題[1]。封頭是壓力容器的主要承壓部件，不僅其尺寸超大，而且形狀也越來越復雜，大型帶法蘭封頭就是其中典型一例。這種大型帶法蘭封頭外徑達5 m以上，壁厚為0.4 m，并且?guī)в懈吆穹ㄌm，其整鍛成形對大型鍛造裝備及工藝都提出更高的要求。大型厚壁整體封頭具有技術(shù)條件要求高、制造工藝難度大、工序復雜及生產(chǎn)周期長的特點[2]，與薄壁封頭壓制過程不同，薄壁封頭主要考慮壓制中產(chǎn)生鼓包、褶皺、拉裂等缺陷[3]，而厚薄封頭壓制時主要考慮壁厚變化和一些復雜部位的成形問題[4～6]。本文采用數(shù)值模擬方法對大型厚壁帶法蘭封頭整鍛成形工藝進行評價，并分析鍛造過程中壁厚和高度等主要形狀控制參數(shù)的變化規(guī)律，提出合理的鍛造工藝方案，以指導實際生產(chǎn)。

1 工藝說明

在現(xiàn)有100 MN壓機的鍛造能力范圍內(nèi)，制定合理的工藝，鍛造出帶法蘭封頭。要求成形件壁厚均勻、合理，工藝流程短，可操作性強。坯料為一帶鉗把的圓柱體如圖1a所示，大端尺寸為?2 650 mm×4 200 mm，小端尺寸為?1 300 mm×800 mm，總質(zhì)量約200 t。擬定鍛造工序為：大平板鐓粗→半月砧展壓→壓制法蘭。坯料經(jīng)過各鍛造工序后形狀如圖1所示。

a)坯料 b)鐓粗 c)展壓 d)壓法蘭圖1 坯料鍛造變形圖Figure 1 The deformation drawing of forging block

2 數(shù)值模擬

2.1 平板鐓粗工序模擬及分析

2.1.1 建模與參數(shù)設定

平板鐓粗是在專用的下模腔內(nèi)鐓粗完成的。主要計算參數(shù)如下：坯料為2.25Cr1Mo0.25V鋼，其材料模型由Gleeble-1500D熱模擬試驗機上壓縮試驗獲得，如圖2所示。坯料初始溫度為1 200℃，與模具接觸摩擦因子為0.3。上下模具設為剛性體，上模速度10 mm/s，單砧壓下量150 mm。

2.1.2 模擬分析及鐓粗方案的確定

平板鐓粗變形特點是：平板與坯料接觸下壓，坯料金屬下陷形成圓錐面，當此錐面與軸線的夾角呈70°時，坯料底端不再明顯變形。隨著平板繼續(xù)下壓，坯料與一般的平板鐓粗相同，兩端小變形，心部大變形，坯料沿徑向外擴，慢慢出現(xiàn)鼓形并不斷擴張，直至鐓粗工序完成。

坯料尺寸太大，受壓機噸位限制，平板鐓粗不可能一次鐓粗得太低?？紤]兩種鐓粗方式并模擬以確定其對后續(xù)工藝的影響。方式一：平板鐓粗至極限載荷附近。方式二：平板鐓粗至一定高度后用長條砧繼續(xù)旋轉(zhuǎn)鐓粗。圖1為按方式一進行模擬得出的坯料變形圖，圖3為按方式二進行模擬得出的坯料變形圖。

圖2 2.25Cr1Mo0.25V鋼高溫應力-應變曲線Figure 2 The high temperature stress-strain curve of 2.25Cr1Mo0.25V steel

a)坯料 b)平板鐓粗 c)條砧鐓粗 d)半月砧展壓 e)壓法蘭圖3 坯料按鐓粗方式二鍛造變形圖Figure 3 The deformation drawing of forging block according to the second upsetting way

比較圖1和圖3可知，方式一鐓粗后形成鼓形坯，展壓之后形成壁厚比較均勻的碗狀坯，壓法蘭成形效果理想；而長條砧局部展壓將會形成上端過分肥大，中部保持圓柱形的傘狀坯。在后續(xù)展壓工序中，傘狀頭部繼續(xù)外展，并傳到壓法蘭工序，使得最后成形的法蘭外徑過大，超出壓機的工作空間。因此鐓粗工序形成鼓形坯對后續(xù)成形是比較有利的。本模擬以下工序均是在鐓粗至鼓形的基礎上進行的。

2.2 半月砧展壓工序模擬

2.2.1 展壓方式及參數(shù)設定

平板鐓粗結(jié)束后，用半月砧進行旋轉(zhuǎn)展壓。此過程實際操作是靠半月砧旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的[5]，半月砧旋轉(zhuǎn)方法是使下模和坯料不動，只讓半月砧做360°回轉(zhuǎn)。這樣可以避免過大的回轉(zhuǎn)量，且容易對中。半月砧每下壓一砧之后提起，旋轉(zhuǎn)20°與坯料接觸，下壓另一砧。當半月砧旋轉(zhuǎn)360°后，完成一圈下壓變形。

2.2.2 變形特點

半月砧與坯料上表面局部接觸下壓，砧下金屬在壓力作用下向下運動，周邊金屬被擠開沿徑向流動，半月砧展壓第一圈，心部金屬被擠向周邊，使坯料金屬略有升高。自第二圈起，坯料頂部金屬均勻外擴，坯料高度降低。單砧下壓，由于是局部變形，對中部和下部金屬影響不大，坯料其余部分變形量很小。隨著半月砧不斷展壓，坯料在鐓粗工序中形成的原始鼓形輪廓線不斷沿徑向擴張，最后與下模相貼合，坯料高度不再下降，同時內(nèi)徑擴大，壁厚減薄。隨著半月砧繼續(xù)下壓，坯料填滿上下模間隙并被底部金屬向上反擠，高度迅速增加，底部快速減薄，外徑保持鼓形并略有增大，內(nèi)徑始終緊包半月砧。至展壓結(jié)束，形成壁厚比較均勻，頂部內(nèi)收的碗形坯。圖4為半月砧展壓過程中坯料剖面截圖。

2.2.3 展壓過程中壁厚展起高度變化規(guī)律

在封頭的整形工藝中，展壓工序坯料的變形量很大，各部分變形很劇烈。展壓成形的幾何坯形狀直接決定最后壓法蘭工序的成敗。如果壁厚過厚，會使材料消耗和后續(xù)機加工量增大，提高了制造成本；如果壁厚太薄，則無法保證封頭加工尺寸。圖5和圖6分別表示封頭壁厚和高度尺寸測量示意。如圖5所示，以鍛件球面圓心為基點，沿徑向做射線將第四象限分成9等份，鉛垂射線為0°，逆時針數(shù)每等份為10°。這些射線與每圈展壓完成成形圖的內(nèi)外徑相交，兩交點之間的線段長度即為此角度上的壁厚。圖6所示的展起高度是以下模上平面為基準，測量坯料每圈的展起的最高點與基準面之間的垂直距離。展壓過程計算的壁厚和展起高度與展壓圈數(shù)變化規(guī)律分別如圖7和圖8所示。

a)鐓粗 b)展壓4圈 c)展壓7圈

d)展壓10圈 e)展壓13圈 f)展壓結(jié)束

圖4 半月砧展壓過程中坯料剖面截圖
Figure 4 The sectional view for block during forging with semilunar die

圖5 壁厚測量示意圖Figure 5 The schematic drawing for measuring the thickness

圖6 展起高度測量示意圖Figure 6 The schematic drawing for measuring the height

由圖7可知，隨著展壓圈數(shù)的增加0～10°區(qū)壁厚穩(wěn)步減小，20°附近壁厚減小最為劇烈。這是因為此位置處于半月砧小平面與弧線過渡處，變形過程中金屬迅速向底部和側(cè)壁流動，導致此位置越來越薄。展至18圈之后此位置將出現(xiàn)縮頸，使壁厚分布不均勻。 20°～70°區(qū)壁厚隨展壓圈數(shù)的增加壁厚減薄，但減薄速度越來越慢，至第10圈以后，外輪廓完全貼下模壁，繼續(xù)展壓側(cè)壁均勻變薄。70°～90°壁厚的變化情況則是先減薄，然后壁厚又增加。展壓結(jié)束，坯料形成底部圓角過渡處最薄，側(cè)壁20°～70°壁厚較為均勻，頂端70°～90°壁厚減小的碗狀坯，如圖4f所示。

從圖8可以看出，隨展壓過程的進行，坯料第2圈展起高度有所增加，這是因為坯料被半月砧擠壓出凹槽，與凹槽相連金屬被擠起。2～10圈，展起高度快速下降，變形主要集中在與半月砧接觸的上端，坯料金屬以徑向流動為主，使坯料外徑迅速擴大，高度隨之下降。10圈以后，展起高度迅速上升，坯料與下模壁相貼合，下部金屬被擠壓沿下模壁向上流動，使得展起高度隨之快速上升。

圖7 壁厚隨展壓圈數(shù)變化圖Figure 7 The change diagram of thickness with spread-forging circle

圖8 展起高度隨展壓圈數(shù)變化圖Figure 8 The change diagram of height with spread-forging circle

2.3 壓法蘭工序模擬

半月砧展壓完成，換用長條砧壓制法蘭，設定長條砧為剛體，與坯料接觸摩擦系數(shù)設為2，其余參數(shù)均與平板鐓粗一致。壓制過程采用“m”字走砧法，分兩圈壓下，壓制完畢即可得到需要的成形件。模擬結(jié)果如圖1d所示。圖9顯示了成形件與產(chǎn)品比較。

3 模擬結(jié)果分析

由圖9顯示的成形件與產(chǎn)品的比較可知，成形件完全包覆產(chǎn)品且各部分余量比較均勻，由此表明該整鍛工藝方法及主要參數(shù)可行。封頭整鍛成形后變形分布如圖10所示，圖中等效應變數(shù)據(jù)為各步變形的累積值。由圖10可以看出，封頭內(nèi)球面頂部變形最大，等效應變達到21.4，由頂部沿球面變形逐漸減小，封頭內(nèi)壁比外表面變形大，封頭外凸緣部分變形最小，僅為0.09。與圖9對比表明，封頭產(chǎn)品的等效應變分布在5.37到10.7之間，比較均勻。心部大的變形量有利于打碎鑄態(tài)粗晶，形成細小晶粒，鍛合缺陷，保證成形件質(zhì)量。

圖9 成形件與產(chǎn)品比較Figure 9 The comparison between forging and product

圖10 成形件等效應變分布Figure 10 The equivalent strain distribution of forging

4 結(jié)論

(1)采用有限元法對大型帶法蘭封頭成形工藝模擬表明，平砧鐓粗、半月砧展壓、壓制法蘭的整鍛工藝方案可行。

(2)通過對兩種鐓粗方式的比較可得，方式二不同砧型二次鐓粗出傘狀坯不利于后續(xù)成形；而平板鐓粗工序中成形出鼓形對后續(xù)工序是有利的。

(3)展壓工序中采用上砧回轉(zhuǎn)成形法，不僅可以避免大的回轉(zhuǎn)量，容易對中，而且可以得到壁厚均勻、展起高度充分的坯料，保證了壓法蘭工序的順利進行，進而鍛制出工藝要求的封頭。

[1] 王兵，王宇偉，李富江.大型封頭模具的設計方法與研究[J].一重技術(shù).2003，(4)：12-13.

[2] 劉凱泉.容器整體封頭成形工藝研究[J].壓力加工. 2007，(5)：79-81，88.

[3] 孟慶樂.橢圓封頭壓制過程中易產(chǎn)生的各類缺陷分析[J].鍋爐制造.2005，12(4)：55-56.

[4] 李海峰，陳明亮，謝志毅.大型厚壁半球形封頭熱沖壓成形的數(shù)值模擬[J].壓力容器.2004，(3)：109-112.

[5] 朱向哲，謝禹鈞，王曉華.半球形封頭沖壓成形有限元分析及優(yōu)化[J].遼寧石油化工大學學報，2004，(12)：51-53.

[6] 姜濤，楊運民，程鞏固.基于DEFORM的大型封頭整體鍛造工藝數(shù)值模擬[J].壓力加工.2009，(2)：26-29.