門正興 李 其 房 鑫 徐志敏

(中國二重集團公司，四川618013)

隨著石化、電力、冶金、運輸?shù)刃袠I(yè)的快速發(fā)展，鍛件大型化和高標準化成為未來鍛造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，這使得達到大型鍛件質(zhì)量要求的難度越來越大，迫使大型鍛件的成形工藝設計必須不斷的向前發(fā)展。首先，鍛件重量和尺寸的增大直接導致制造這些鍛件的鋼錠也相應增大，而隨著鋼錠噸位和截面積的增加，與金屬結(jié)晶過程有關的缺陷，如非金屬夾雜、偏析、疏松組織、縮孔等越明顯，為大型鍛件的產(chǎn)品合格率帶來很大困難[1]。其次，隨著鍛件重量和尺寸的增大，現(xiàn)有設備的成形能力無法滿足鍛件成形要求，造成壓不實、操作困難等問題。鍛件重量和尺寸的增大也導致鍛件加熱及熱處理困難。在成形的某個階段，鍛件幾何尺寸可能超過加熱爐尺寸，造成鍛件溫度降低，加熱時間延長，加熱不均勻現(xiàn)象明顯等問題，為成形工藝留下隱患。新材料的不斷出現(xiàn)及產(chǎn)品生產(chǎn)周期的縮短也是導致鍛件合格率下降的重要原因。由于不能完全掌握材料鍛造及熱處理性能，使得工藝確定帶有盲目性。由于不同專業(yè)的限制，目前對大型鍛件的研究分為煉鋼、鍛造、熱處理三個部分，各自獨立，也無法對鍛造缺陷進行系統(tǒng)的分析和研究。想要大幅提高大型鍛件的合格率，必須從煉鋼、鍛造、熱處理三個方面

同時入手，將實踐經(jīng)驗、物理模擬、數(shù)值模擬三者相結(jié)合，才能對大型鍛件的成形進行系統(tǒng)的掌握。

本文以探討大型鍛件缺陷產(chǎn)生原因為主要研究目標，通過了解超聲檢測缺陷在整個成形過程中的位置、位移及應力應變狀態(tài)，對超聲檢測缺陷產(chǎn)生的原因進行分析。該方法還建立了超聲檢測缺陷與鋼錠質(zhì)量之間的關系，在目前文獻中還未被提及。在大型鍛件成形缺陷分析中應用該方法，可以使得對鋼錠質(zhì)量和鍛造工藝的改進更具有針對性，對大型鍛件質(zhì)量及合格率的提高都有重大意義。

1 提出問題

對我廠生產(chǎn)的某大型矩形截面鍛件在粗加工后進行超聲檢測，發(fā)現(xiàn)鍛件內(nèi)有大量密集性缺陷，在鍛件整個長度方向上都有分布。該鍛件鍛造過程由4火完成，主要成形工序有壓鉗把、滾圓拔長、漏盤鐓粗拔長、修整及最后氣割兩端出成品。缺陷產(chǎn)生的原因可能是鋼錠本身存在缺陷、鍛造工藝不當、熱處理工藝不當?shù)?。采用傳統(tǒng)的分析方法很難對缺陷的產(chǎn)生作出定性的判斷，從而為工藝方案的改進增加困難。

2 有限元分析

為了對鍛件從鋼錠到熱處理前的成形過程進行全面的了解，采用Deform 3D軟件對鍛件成形過程中的主要成形工序——鋼錠滾圓拔長、漏盤鐓粗、拔長、修整進行有限元分析。由于鉗把的材料來自鋼錠的冒口端，對鍛件整體質(zhì)量影響不大，因此未對壓鉗把工序進行數(shù)值模擬。為了減少計算時間，對鋼錠的滾圓拔長工序進行了簡化，將實際生產(chǎn)中的窄砧多次旋轉(zhuǎn)局部下壓簡化為寬砧一次旋轉(zhuǎn)下壓。由于鋼錠體積較大，根據(jù)現(xiàn)場情況，在拔長過程中采用2 000 mm上砧及下平臺進行拔長。為了便于對超聲檢測缺陷進行點跟蹤，在模擬過程中將漏盤鐓粗、拔長及修整過程在同一模型下依次完成。各成形工序的有限元模型如圖1所示。在實際生產(chǎn)中，對鍛件進行拔長后，鍛件會發(fā)生一定的彎曲及側(cè)邊鼓形，需要進行局部修整，這種現(xiàn)象在數(shù)值模擬過程中也會出現(xiàn)。

圖1 成形模擬過程有限元模型Figure 1 Finite element model of formation simulation process

圖2 超聲檢測缺陷在最終鍛件中的分布Figure 2 Distribution of ultrasonically tested defects in the finished forging

3 結(jié)果分析

將超聲檢測結(jié)果中的缺陷坐標通過換算導入未氣割兩端的成形鍛件中，如圖2所示。采用Deform軟件中的點跟蹤技術(shù)，對成形過程中缺陷的點應力、應變、位移等參數(shù)進行逆向跟蹤，對缺陷產(chǎn)生的原因進行分析。為了對缺陷點的應力應變情況進行對比，選取鍛件中心11個點作為參考點，各點均勻分布在鍛件中。

3.1 拔長過程分析

拔長過程中缺陷在鍛件中相對位置的變化如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在整個拔長過程中缺陷點分布都比較集中，主要分布在鍛件中心附近的矩形框中。

圖3 拔長過程中超聲檢測缺陷在鍛件中的分布Figure 3 Distribution of ultrasonically tested defects in the forging during stretching

圖4 典型缺陷點在靜水壓力拔長過程中的分布Figure 4 Distribution of classical defects points during stretching by hydrostatic pressure

圖4、圖5對典型缺陷點及中心點拔長過程中靜水壓力的情況進行了比較。隨著拔長過程的繼續(xù)，兩典型點靜水壓力都在0點上下震蕩。其中缺陷點最大靜水壓力為33.2 MPa，最小為-60.9 MPa。而中心點最大靜水壓力為34.5 MPa，最小為-73.9 MPa。

3.2 漏盤鐓粗過程分析

漏盤鐓粗過程前后，缺陷點在鍛件中相對位置的變化如圖6(a)、圖6(b)所示。由于漏盤鐓粗前后鍛件為回轉(zhuǎn)體，為了對缺陷點的分布規(guī)律有更加直觀的認識，可以將所有缺陷點的三維坐標轉(zhuǎn)換為極軸坐標并投影在同一面上，如圖6(c)、圖6(d)所示。從圖6可以明顯的發(fā)現(xiàn)，缺陷點成帶狀分布。圖6(c)也可以理解為超聲檢測缺陷在鋼錠中的原始位置，從而建立了最終鍛件內(nèi)部缺陷與鋼錠內(nèi)部質(zhì)量的聯(lián)系。結(jié)合金相檢驗結(jié)果，可以對缺陷產(chǎn)生的原因與鋼錠質(zhì)量之間的關系給出較準確的判斷。

圖5 典型中心點在靜水壓力拔長過程中的分布Figure 5 Distribution of classical center points during stretching by hydrostatic pressure

4 結(jié)論

通過對大型矩形截面鍛件自由鍛成形全過程的數(shù)值模擬，將節(jié)點逆向跟蹤技術(shù)應用到超聲檢測缺陷產(chǎn)生原因的分析中，得到以下結(jié)論：

(1)通過變換參考點及坐標，將最終零件超聲檢測結(jié)果引入鍛件成形過程，建立了鍛件檢驗與鍛件成形過程的關系。采用節(jié)點跟蹤技術(shù)得到了缺陷點在鍛造全過程中的相對位置和應力應變狀態(tài)等參數(shù)，為判斷缺陷產(chǎn)生的原因提供依據(jù)。

(2)通過對鍛件滾圓、鐓粗及拔長工藝的數(shù)值模擬，得到了缺陷點在鋼錠中的相對位置，確定了鍛件缺陷與鋼錠缺陷的聯(lián)系。

[1] 《鍛件質(zhì)量分析》編寫組.鍛件質(zhì)量分析.北京：機械工業(yè)出版社[M]，1983.

[2] 劉助柏,倪利勇，劉國暉.大鍛件形變新理論新工藝.北京：機械工業(yè)出版社[M]，2009.