張景利 王少鵬 馬慶賢

(1. 中國第一重型機械集團公司，黑龍江161042；2. 清華大學機械工程系先進成形制造教育部重點實驗室，北京100084)

FM法(Free from Mannesmann Effect)即中心無拉應力鍛造法，具有變形壓下量小、變形范圍區(qū)較大的優(yōu)點，因而在鍛造拔長工藝中被廣泛使用。特別是在鋼錠高徑比較小的短粗鋼錠中，直接依靠拔長“鍛透”的作用，能夠起到減少前一工序鐓粗壓下量，甚至取消鐓粗的作用。其不足之處是采用FM法拔長時鍛件外形產(chǎn)生翹曲，如果材料塑性較差，單砧變形壓下量較大時鍛件表面容易產(chǎn)生裂紋，直接影響了鍛件質量。

因此，如果能夠充分利用FM法拔長工藝的特點，確定合理的砧寬比和壓下量的范圍以及合理的布砧方式，既能避免鍛件表面出現(xiàn)裂紋，又能保證整個鍛件“鍛透”，這對于保證鍛件產(chǎn)品質量、縮短工藝流程具有重要的作用[1]。

為此，將采用模擬技術研究FM法拔長工藝，以期得到較為合理的砧寬比和壓下量等工藝參數(shù)，為制定鍛造工藝提供依據(jù)。

1 實驗條件

塑泥和鉛是兩種常用于模擬熱鍛成形的材料，可以在常溫條件下模擬鋼在高溫時的塑性變形。模擬試件和砧子尺寸按照實際生產(chǎn)情況成比例縮小。制做好的塑泥和鉛試件，按照不同的砧寬比(如圖1中所示砧寬W和料高H之比)和不同的壓下率(ε=(H0-H1)/H0×100%)模擬鍛造成形。實驗采用砧寬比W/H分別為0.45、0.60、0.75和0.9，分別按照壓下率8%、14%和20%進行單砧合模擬工藝變形，剖分面上網(wǎng)格尺寸為3 mm×3 mm。觀察試件表面情況，根據(jù)變形后網(wǎng)格變化情況計算剖分面上的塑性變形分布規(guī)律。

圖1 FM鍛造法示意圖Figure 1 The sketch for FM method

2 FM法單砧拔長變形分析

實驗中發(fā)現(xiàn)，砧寬比W/H為0.75和0.9，壓下率為14%和20%時，塑泥試件與上砧接觸面外緣表面產(chǎn)生了明顯的裂紋，并且裂紋隨著壓下率的增加而增大，如圖2所示。

當砧寬比為0.6時，即使壓下量達到20%，試件表面上也沒有裂紋出現(xiàn)。對比工廠實際情況可知，裂紋產(chǎn)生方式、相對大小及位置與之非常相似。而采用鉛試件進行相同實驗時，由于鉛試件材料塑性較好，在試件表面沒有觀察到裂紋產(chǎn)生。

對比各種成形參數(shù)可知，試件表面產(chǎn)生裂紋的原因是由于試件與上砧接觸外緣處發(fā)生了較大的變形，形成較大的拉應力所致。隨著砧寬比和壓下率增大，塑泥試件表面裂紋產(chǎn)生愈加明顯。這與FM法拔長時，鍛件發(fā)生翹曲現(xiàn)象受力狀況相一致。由此可以斷定，砧寬比和變形壓下量的大小直接影響著鍛件表面裂紋產(chǎn)生情況。

(a)壓下率14%(b)壓下率20%圖2 塑泥試件表面的裂紋Figure 2 The surface crack in test piece of plastic clay

采用50 mm×50 mm×120 mm的鉛試件進行實驗，用寬30 mm(砧寬比為0.6)的鋼材料砧子，分別按照壓下率14%和20%進行變形。變形后試件心部截面上的網(wǎng)格變化情況如圖3所示，計算得到變形前試件截面上等效應變分布如圖4所示。

由圖3和圖4可知，由于不對稱的上下砧型，鍛壓坯料內(nèi)部變形不對稱。砧子下面存在著明顯的剛性區(qū)，且剛性區(qū)隨著砧寬增加而增大，大變形區(qū)呈V狀分布，等效應變最大處出現(xiàn)在鍛件心部偏上部位。當砧寬比相同時，試件變形位置隨壓下率增大而向下半部延伸。當壓下率為8%時，試件心部變形不明顯。當壓下率達到14%時，變形區(qū)逐步向心部深入。而當試件的壓下率相同時(14%和20%)，隨著砧寬比的增大，變形區(qū)逐步在心部擴大，變形不均勻程度降低。當砧寬比一定時，隨著壓下量的增大，砧下剛性區(qū)改善并不明顯，剛性區(qū)沒有縮小。而V狀大變形區(qū)隨著壓下量增大而展寬，變形區(qū)和等效應變增大。

(a)壓下率14%(b)壓下率20%圖3 砧寬比0.6時鉛試件心部網(wǎng)格變形情況Figure 3 The center gridding distortion of lead test piece with the width ratio of anvil about 0.6

由此可知，砧寬比和壓下率大時有利于擴大變形區(qū)，但容易使鍛件表面產(chǎn)生裂紋。前期研究已知，砧寬比在0.6左右時FM法壓下率達到14%后已能保證空洞壓實。因此，在制定工藝時，應綜合考慮砧寬比和壓下率范圍。對于塑性較差的材料，如鋼錠直接拔長，容易產(chǎn)生裂紋的材料316LN等，建議砧寬比選擇在0.6左右，壓下率在14%至20%之間。

3 FM法連砧拔長變形效果

鍛件成形需要將單砧變形進行合理的組合才能保證質量。單砧變形效果能否有效組合并發(fā)揮作用是確定其工藝參數(shù)合理與否的重要依據(jù)。為此制定了模擬鍛造工藝以研究其綜合效果。模擬工藝翻轉90°-180°-270°錯半砧連砧拔長。首先對試件上表面壓第一趟次，單面壓下率為14%，滿砧進給。之后將試件翻轉90°，壓第二趟次，同樣，單面壓下率為14%，滿砧進給。之后將試件再翻轉90°，單面壓下率為14%，與第一趟次錯半砧，滿砧進給。最后再翻轉90°，單面壓下率14%，與第二趟次錯半砧，滿砧進給。變形后試件心部對稱面上的網(wǎng)格變形情況如圖5所示，計算得到等效應變分布如圖6所示。

(a)壓下率14% (b)壓下率20%圖4 砧寬比0.6時試件心部等效應變分布圖Figure 4 The sketch for the center equivalent strain distribution of test piece with the width ratio of anvil about 0.6

(a)垂直對稱子午面上半面(b)水平對稱子午面圖5 FM法連砧拔長壓兩面后試件心部變形圖Figure 5 The sketch for the center deformation of test piece after stretched and pressed two side with FM method

(a)垂直對稱子午面上半面(b)水平對稱子午面圖6 FM法連砧拔長壓兩面后試件心部等效應變分布圖Figure 6 The sketch for the center equivalent strain distribution of test piece after stretched and pressed two side with FM method

由圖6可以看出，采用FM法拔長時，經(jīng)過翻轉90°-180°-270°錯半砧連砧拔長的試件，心部變形量能夠達到較大，且變形分布較為均勻。由于錯半砧的作用，使得第三趟次的大變形區(qū)發(fā)生在第一趟次的小變形區(qū)，第四趟次的大變形發(fā)生在第二趟次的小變形區(qū)。相差180°的兩個趟次之間錯半砧，剛好可以消除彼此間的小變形區(qū)。因此，鍛件變形區(qū)分布均勻，并能有效覆蓋整個工件。

綜合塑泥和鉛試件實驗結果可知，F(xiàn)M法拔長工藝具有壓下量小，而鍛件心部變形量大的特點，并通過后續(xù)FM法拔長能夠保證鍛件“鍛透”，適合于減少拔長前鐓粗工序的變形量，甚至取消鐓粗的工藝。

根據(jù)上述結果，在生產(chǎn)某重要鍛件時，取消了第一火鐓粗工藝，采用FM法直接拔長，產(chǎn)品性能達到了預期效果。而由于冶煉工藝的改進，越來越多地采用短粗鋼錠以減少鑄造偏析程度，F(xiàn)M法拔長工藝對于取消第一次鐓粗工序的經(jīng)濟效益非常明顯。

4 結論

(1)為避免鍛件表面產(chǎn)生裂紋，建議使用FM法拔長工藝時砧寬比選擇在0.6左右，壓下率在14%至20%之間。

(2)FM法拔長具有壓下量小，鍛件心部變形量大的特點。通過合理布砧，能夠保證鍛件得到足夠的塑性變形量，有利于減小拔長前鐓粗壓下量，甚至能夠取消鐓粗工序。

[1] 王少鵬.百萬千瓦核電低壓轉子FM法鍛造工藝模擬.清華大學碩士學位論文，2009，12.

[2] 李尚建，等.金屬塑性成形過程模擬.北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[3] 中國機械工程學會鍛壓學會.鍛壓手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2002.