太原重工股份有限公司大鍛件研究所 （山西 030024） 胡運寶

擠壓機是實現(xiàn)金屬擠壓加工的主要設(shè)備，而輥環(huán)作為擠壓機的重要鍛件，由于工作環(huán)境要求其硬度高，綜合力學性能好。H13鋼具有高抗沖擊能力和高淬透性，可滿足輥環(huán)工作環(huán)境所需。但H13鋼的鍛造性能差，鍛造溫度范圍為900～1180℃，鍛造溫度范圍較窄。此外，該鋼比較脆，鍛造時極易產(chǎn)生裂紋。H13鋼加熱工藝、鍛造工藝及鍛后處理，H13鋼芯棒鍛造坯料中常見的幾種缺陷及產(chǎn)生原因，以及H13鋼國內(nèi)外模具鋼生產(chǎn)廠家裝備及工藝有很多文獻進行了闡述。

本文采用FORGE有限元模擬軟件對H13鋼輥環(huán)鍛造工藝成形過程中沖孔過程進行數(shù)值模擬研究，對指導實際生產(chǎn)具有重要意義。FORGE有限元模擬軟件是法國的一款鍛造專用模擬軟件，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)可以提前預(yù)測鍛造中的某些缺陷，進而改進工藝，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

1.工藝方案確定及鍛件尺寸

此輥環(huán)鍛件尺寸為φ1670mm×1170mm，中間通孔為φ520mm，重18.166t（見圖1）。所采用鋼錠為電渣重熔錠，重19.5t，鋼錠利用率高達93.2%，因此在控制精度較高的125MN油壓機上進行鍛造。

工藝方案確定：第一階段正沖，坯料放在下平臺上，使沖子運動高度H=800mm。第二階段反沖，坯料翻轉(zhuǎn)180°，放在漏盤上，用φ450mm實心沖子將孔沖透。

圖1 H13輥環(huán)鍛件

2.有限元模型建立

（1）建模 對坯料、上砧、下平臺、漏盤、實心沖子進行實體建模，在UG6.0中進行三維圖形繪制，將圖形轉(zhuǎn)化為STL格式，導入FORGE中，如圖2所示。圖3為車間實際圖。

圖2 實體建模

圖3 實際生產(chǎn)中坯料與上砧、下平臺接觸

（2）有限元模擬軟件FORGE的參數(shù)設(shè)定 首先，坯料的網(wǎng)格劃分。合理的網(wǎng)格劃分可以提高求解的精度并降低運算量，F(xiàn)ORGE具有強大的網(wǎng)格自動劃分功能，還具有局部網(wǎng)格細劃分功能。圖4為坯料的網(wǎng)格劃分圖，共劃分網(wǎng)格89 706個，因沖孔時中心區(qū)域受力較大，網(wǎng)格畸變較嚴重，在此區(qū)域網(wǎng)格應(yīng)細化分。

圖4 坯料網(wǎng)格劃分

其次，H13鋼材料屬性。H13鋼對應(yīng)德國牌號為40CrMoV5/1.2344，其應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5。

圖5 H13鋼應(yīng)力應(yīng)變

再次，對象間的關(guān)系。熱摩擦因數(shù)選文件為water+graphite.tff，熱交換系數(shù)選文件為Steel-hotweak.tef。

最后，控制的設(shè)定。采用行程控制，始鍛溫度設(shè)為1180℃，設(shè)定上砧壓下速率為20mm·s-1。

3.H13鋼輥環(huán)鍛造工藝沖孔成形模擬結(jié)果分析

借助于FORGE軟件對H13鋼輥環(huán)鍛件成形的模擬模型進行了有限元分析計算并進行后處理，獲得H13鋼輥環(huán)鍛件成形效果圖、應(yīng)力場、應(yīng)變場及溫度場等數(shù)據(jù)。

（1）沖孔后的模擬效果 圖6為H13鋼輥環(huán)鍛件沖孔完后的模擬效果，總體模擬效果較好，表面無裂紋；在內(nèi)緣孔處，會產(chǎn)生拉縮現(xiàn)象。

圖6

（2）H13鋼輥環(huán)鍛件沖孔過程 如圖7所示，因鍛件對稱，現(xiàn)只分析坯料一半時的成形過程。第一階段為正沖，將加熱好的坯料放在上平臺，φ450mm實心沖子放在坯料中心處，上平砧與沖子接觸如圖7a所示，金屬開始沖孔變形，由于上砧子不斷運動，對沖子施加作用力，迫使沖子下面的金屬流動；當沖子進一步運動時，沖子下面金屬運動類似于環(huán)形包圍下的鐓粗過程，四周為間接受力區(qū)，一方面由于沖頭下面金屬鐓粗，會產(chǎn)生拉縮現(xiàn)象，另一方面外徑會增大，越靠下會越明顯，如圖7b所示；當沖子運動高度H=800mm時，把坯料翻轉(zhuǎn)180°，放入漏盤，開始反沖，如圖7c所示；沖子繼續(xù)運動，變形抗力猛增，最終將沖頭下面的余料沖掉，完成沖孔過程，如圖7d所示。

圖7 H13鋼輥環(huán)鍛件沖孔成形過程

根據(jù)上述分析，總結(jié)出鍛件沖孔過程金屬流動規(guī)律：該鍛件變形過程為沖孔成形，沖頭下面的坯料類似于鐓粗過程，沖頭四周的坯料會產(chǎn)生拉縮現(xiàn)象，最終隨著砧子運動完成沖孔過程?？傮w受力為壓應(yīng)力，變形均勻，流動完整，質(zhì)量可靠。變形的關(guān)鍵點是沖子運動H=800mm時，應(yīng)將坯料迅速翻轉(zhuǎn)180°，防止鍛件溫度降低過快，出現(xiàn)裂紋。操作時，避免坯料表面產(chǎn)生大的拉縮現(xiàn)象，此外在坯料外壁偏下、內(nèi)壁偏上處變形大，易裂，操作時應(yīng)特別注意。

（3）等效應(yīng)力應(yīng)變、溫度場分析 圖8是坯料翻轉(zhuǎn)180°反沖時的應(yīng)力分布。由圖可知，應(yīng)力分布總體上均勻?qū)ΨQ。鍛件外壁受力較小，與沖頭接觸位置受力較大，符合應(yīng)力分布規(guī)律，等效應(yīng)力值最大能達108MPa。在內(nèi)緣孔處，金屬流動劇烈，應(yīng)力值高，磨損嚴重，沖孔過程中以上部位變形劇烈，是磨損和裂紋生成、擴展的主要危險區(qū)。因此，沖頭要設(shè)計適當?shù)倪^渡圓角，防止開裂、磨損。

圖8 翻轉(zhuǎn)時等效應(yīng)力

圖9 是終鍛時等效應(yīng)變分布。由圖可知，應(yīng)變最終集中在內(nèi)緣孔處，坯料外壁偏下、內(nèi)壁偏上處，應(yīng)變最大值為0.36。從圖10溫度場分布可以看出，溫度場的最終分布情況與等效應(yīng)變分布一致，即應(yīng)變大的部分溫度高，鍛件表面最高約1097℃，最低約900℃，總體分布比較均勻約920℃。

圖9 終鍛時等效應(yīng)變

圖10 終鍛時溫度場分布

（4）與實際生產(chǎn)鍛件對比 圖11為實際生產(chǎn)H13鋼輥環(huán)鍛件，表面無裂紋，金屬流動較好，與模擬結(jié)果相比，總體比較吻合。

圖11 實際生產(chǎn)的鍛件

4.結(jié)語

通過對H13鋼輥環(huán)鍛件沖孔過程有限元模擬，使成形過程更加形象化、直觀化。從模擬結(jié)果與現(xiàn)實鍛件產(chǎn)品對比分析可以得出：①利用FORGE有限元軟件對H13鋼輥環(huán)鍛件沖孔過程進行數(shù)值模擬，沖孔結(jié)果令人滿意，成形過程金屬流動順暢，未出現(xiàn)表面開裂等缺陷，與實際鍛出產(chǎn)品相吻合。②由沖孔模擬結(jié)果可知，鍛件內(nèi)緣孔處會產(chǎn)生拉縮現(xiàn)象，與現(xiàn)實比較符合，在實際生產(chǎn)中要增加一道平整工序。③由終鍛溫度場分布可知，終鍛溫度平均在920℃左右，在H13鋼鍛造溫度范圍之內(nèi)。由終鍛等效應(yīng)變場知，最終應(yīng)變集中在內(nèi)緣孔處，坯料外壁偏下、內(nèi)壁偏上處，應(yīng)變最大值為0.36。

（20130715）