李 姣 王敬禹 劉建紅 徐明昊 劉 穎

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457)

FM法即中心無拉應(yīng)力鍛造法，所用砧型為上平砧、下平臺。由于不對稱的砧型配置，鍛壓坯料內(nèi)部產(chǎn)生不對稱變形，心部拉應(yīng)力位置下移，這樣鋼錠心部缺陷較多的部位將避開拉應(yīng)力的破壞作用[1]，在鍛造過程中有利于鋼錠心部孔洞缺陷的鍛合。因其具有變形壓下量小、變形范圍區(qū)較大的優(yōu)點(diǎn)，因而在鍛造拔長工藝中被廣泛使用[2]。

FM法不足之處是鍛件不對稱變形導(dǎo)致外形產(chǎn)生翹曲。如果材料塑性較差，單砧變形壓下量較大時(shí)鍛件表面容易產(chǎn)生裂紋和折傷，直接影響鍛件質(zhì)量[3]。而且實(shí)心鍛件橫截面積有日漸增加的趨勢，目前最大截面直徑達(dá)到?3 000 mm左右。大截面鋼錠在凝固過程中極易在鋼錠心部產(chǎn)生嚴(yán)重的成分偏析、夾雜、氣體、縮孔和疏松等原始缺陷，若不能有效消除這些原始缺陷，就會造成鍛件報(bào)廢，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此選擇合理的砧型、砧寬比和壓下量來壓實(shí)鍛件心部缺陷顯得尤為重要。

本文通過對比不同砧型、砧寬比和壓下量對鍛件心部等效應(yīng)變值的影響，得出更適合大截面鍛件FM拔長的工藝參數(shù)。

1 建立有限元模型

坯料尺寸為3 500 mm×3 800 mm。分別選取1 500 mm(砧寬比0.4)、1 800 mm(砧寬比0.5)、2 100 mm(砧寬比0.6)、2 400 mm(砧寬比0.7)四種砧寬；砧型為無錐面、單錐面、雙錐面三種；壓下量取10%、15%、20%、25%四種。分別為三種砧型取代號A、B、C(下文同)，其形狀示意圖如圖1所示。坯料的材質(zhì)選擇30CrNiMo8，參考溫度為1 250℃，砧子材料為H-13，砧子與坯料間摩擦系數(shù)為0.7。

2 不同砧型的對比

2.1 三種砧型單砧壓下時(shí)等效應(yīng)力對比

在相同的砧寬比和壓下量下，對比A、B、C三種砧型單砧壓下時(shí)鍛件心部等效應(yīng)力值。以A砧型為例，單砧壓下時(shí)坯料等效應(yīng)力分布如圖2所示。分別提取三種砧型單砧壓下后鍛件心部P1～P7點(diǎn)的等效應(yīng)力值列入表1。從表1可以看岀，單砧壓下時(shí)，三種砧型所對應(yīng)的鍛件心部等效應(yīng)力值相同或者相差甚微?？梢姡栊蛯﹀懠牟康刃?yīng)力的分布沒有太大影響。

圖1 A、B、C三種砧型示意圖Figure 1 Schematic diagram of three anvil types

圖2 A砧型單砧壓下時(shí)等效應(yīng)力分布圖 圖3 A砧型單砧壓下時(shí)等效應(yīng)變分布圖

Figure 2 The equivalent stress distribution map of Figure 3 The equivalent strain distribution map of A anvil type after single anvil pressing A anvil type after single anvil pressing

2.2 三種砧型單砧壓下時(shí)等效應(yīng)變對比

在相同的砧寬比和壓下量下，對比A、B、C三種砧型單砧壓下時(shí)鍛件心部的等效應(yīng)變值。同樣以A砧型為例，單砧壓下時(shí)坯料等效應(yīng)變分布如圖3所示。分別提取三種砧型單砧壓下時(shí)鍛件心部P1～P7點(diǎn)的等效應(yīng)變值并繪制岀圖4。由圖4可以看岀，單砧壓下時(shí)，三種砧型對應(yīng)的鍛件心部等效應(yīng)變值相差不大。可見，砧型對鍛件心部等效應(yīng)變分布幾乎沒有影響。

2.3 三種砧型對鍛件表面質(zhì)量的影響

大型鍛件在拔長過程中，當(dāng)壓下量較大且滿砧進(jìn)給時(shí)，在相鄰的前后兩砧之間容易產(chǎn)生漏壓區(qū)，導(dǎo)致折傷。圖5示意了三種砧型漏壓區(qū)壓平前后鍛件表面質(zhì)量的對比情況。A砧型兩砧之間的漏壓區(qū)在后續(xù)壓平時(shí)容易形成折傷。B砧型漏壓區(qū)較A砧型容易壓平。C砧型由于砧子兩邊帶有錐面，兩砧之間的漏壓區(qū)壓平后表面質(zhì)量最好。因此，從減輕折傷的角度考慮，C砧型較好一些。

3 不同砧寬比的對比

3.1 單砧壓下時(shí)坯料心部等效應(yīng)變對比

表1 三種砧型單砧壓下時(shí)7點(diǎn)等效應(yīng)力值Table 1 The equivalent stress values of 7 points after single anvil pressing for three different anvil types

圖4 三種砧型單砧壓下時(shí)等效應(yīng)變值對比Figure 4 The comparison of equivalent strain values after single anvil pressing for three different anvil types

以C砧型為例，單砧壓下時(shí)，對比砧寬比從0.4增加到0.7時(shí)鍛件心部等效應(yīng)變變化情況。圖6為砧寬比0.4時(shí)鍛件心部的等效應(yīng)變分布圖。分別提取四種砧寬比單砧壓下后鍛件心部P1～P5點(diǎn)的等效應(yīng)變值繪制出圖7a。由圖7a可以看岀，隨著砧寬比的增加，鍛件心部等效應(yīng)變值也隨著增大。圖7b以砧寬比為橫坐標(biāo)，可以看岀砧寬比從0.4增加到0.6時(shí)，等效應(yīng)變增幅較大；從0.6增加到0.7時(shí)，等效應(yīng)變值增幅趨緩。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況可知，當(dāng)砧寬過大時(shí)，砧子與坯料間接觸面積增大，摩擦力過大，坯料要產(chǎn)生相同的變形需要的壓力較大，但受到水壓機(jī)壓力的限制，砧寬并不是越大越好。綜合考慮，砧寬比選擇0.6比較合適。

ABC

圖5 A、B、C三種砧型漏壓區(qū)壓平前后表面質(zhì)量對比

Figure 5 The comparison of surface qualities before and after missing compacted area being flattened for three different anvil types

圖6 砧寬比0.4單砧壓下時(shí)等效應(yīng)變分布Figure 6 The equivalent strain distribution map after single anvil pressing when anvil width ratio is 0.4

3.2 壓完6道次后坯料心部等效應(yīng)變對比

以C砧型為例，壓完6道次后，對比砧寬比從0.4增加到0.7時(shí)鍛件心部等效應(yīng)變變化情況。砧寬1 500 mm(砧寬比0.4)6道次后鍛件心部等效應(yīng)變值分布如圖8所示。分別提取四種砧寬比6道次后鍛件心部P1～P11點(diǎn)的等效應(yīng)變值繪制出圖9。由圖9可以看岀，砧寬比從0.4增加到0.6時(shí)，鍛件心部等效應(yīng)變值隨著砧寬比的增加而增加。砧寬比0.6時(shí)，鍛件心部等效應(yīng)變值最大。但2 400 mm砧寬時(shí)反倒應(yīng)變值最小。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，砧寬比大于0.6時(shí)，鍛件心部等效應(yīng)變值反倒隨著砧寬比的增加而減小。這是因?yàn)榕髁祥L3 800 mm，對于2 400 mm砧寬來說，壓完第一個(gè)道次只需要兩砧，而1 500 mm砧寬壓完第一個(gè)道次需要三砧。以此類推，在后續(xù)道次壓實(shí)過程中1 500 mm砧寬所需的砧數(shù)較多，等效應(yīng)變值累積也較大。而2 400 mm砧寬雖然單砧壓下時(shí)應(yīng)變值較大，但因?yàn)閴和?個(gè)道次所需要的砧數(shù)少，其累積效果較差。而且，砧子越寬，坯料的展寬程度越大，越不利于坯料的拔長。綜合考慮，砧寬比選擇0.6較合適。

圖7 四種砧寬比單砧壓下時(shí)等效應(yīng)變值對比Figure 7 The comparison of equivalent strain values with four anvil width ratios after single anvil pressing

圖8 砧寬比0.4壓完6道次后等效應(yīng)變分布Figure 8 The equivalent strain distribution map after pressing six times when anvil width ratio is 0.4

圖9 四種砧寬比壓完6道次后等效應(yīng)變值對比Figure 9 The comparison of equivalent strain values with four anvil width ratios after pressing six times

4 不同壓下量的對比

以C砧型、砧寬比0.6為例。單砧壓下時(shí)，對比壓下量10%、15%、20%、25%四種情況下鍛件心部等效應(yīng)變值大小。壓下量20%時(shí)鍛件等效應(yīng)變分布見圖10。分別提取四個(gè)壓下量下鍛件心部5個(gè)點(diǎn)的等效應(yīng)變值并繪圖11。可以看岀，鍛件心部等效應(yīng)變值隨著壓下量的增加而增大。當(dāng)壓下量為10%時(shí)，鍛件心部變形不明顯。隨著壓下量的增大，變形區(qū)逐漸深入心部。當(dāng)壓下量達(dá)到25%時(shí)，鍛件心部變形已非常大。可見，壓下量越大越有利于鍛件心部的壓實(shí)。但是受到水壓機(jī)壓力的限制，實(shí)際能達(dá)到的壓下量是有限的。而且根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，壓下量太大的話，坯料的展寬程度太大，不利于坯料的拔長，且容易使鍛件表面產(chǎn)生折傷和裂紋。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，合理的壓下量應(yīng)該控制在15%～22%之間。

圖10 壓下量20%時(shí)鍛件心部等效應(yīng)變分布Figure 10 The equivalent strain distribution of forging center when reduction is 20%

圖11 不同壓下量下鍛件心部等效應(yīng)變值對比Figure 11 The comparison of equivalent strain values with different reductions for forging center

5 結(jié)論

(1)A、B、C三種砧型對壓實(shí)鍛件心部缺陷的作用相差不大。從表面質(zhì)量考慮，C砧型有利于相鄰兩砧之間漏壓區(qū)的壓平，不容易產(chǎn)生折傷，表面質(zhì)量較好。

(2)隨著砧寬比的增加，鍛件心部等效應(yīng)變值也隨著增大。砧寬比從0.4增加到0.6時(shí)，鍛件心部等效應(yīng)變值增加幅度比較大，但隨著砧寬比繼續(xù)增加，鍛件心部等效應(yīng)變值增加幅度趨緩。砧寬比大于0.6時(shí)，雖然單砧壓下的等效應(yīng)變值較大，但因?yàn)閴和?個(gè)道次所需要的砧數(shù)較少，不利于等效應(yīng)變值的積累，最終鍛件心部等效應(yīng)變值反倒最小。因此，選擇2 100 mm砧寬(砧寬比0.6)比較合適。

(3)隨著壓下量的增加，鍛件心部等效應(yīng)變值也在增大。但壓下量過大容易使鍛件表面產(chǎn)生裂紋和折傷，而且受水壓機(jī)壓力的限制，壓下量不是無限增大的。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況，把壓下量控制在15%～22%之間比較合理。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會鍛壓學(xué)會．鍛壓手冊．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

[2] 曹起驤，江松，等.FM鍛造工藝高溫云紋法模擬研究.大型鑄鍛件.1987,(2)：14-23.

[3] 張景利，王少鵬，等.FM法拔長工藝中合理砧寬比和變形量研究.大型鑄鍛件.2010,3(2)：5.