季 飛 劉建生 李 婷

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

低壓轉(zhuǎn)子鋼30Cr2Ni4MoV鍛件是大型核電設(shè)備中最為關(guān)鍵的零部件，體積大，重量大，在工作過程中要承受各種復(fù)雜應(yīng)力，對(duì)材料和加工過程都有很高的要求。鋼錠鐓粗是大型鍛件鍛造的主要成形工藝之一，而傳統(tǒng)鐓粗工藝雖然可以改善鑄態(tài)組織、消除一部分疏松和縮孔，但同時(shí)也會(huì)帶來鍛件鼓形、開裂和應(yīng)變分布不均勻等缺陷。這是大鍛件鍛造中出現(xiàn)廢品的一個(gè)重要原因，給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。

因此如何創(chuàng)造有利的力學(xué)條件，防止鋼錠在鐓粗過程中開裂并且消除傳統(tǒng)鐓粗帶來的鼓形和應(yīng)變分布不均勻，研究開發(fā)新的鐓粗工藝就顯得十分必要。扭轉(zhuǎn)鐓粗工藝即在坯料軸線方向上施加壓力鐓粗，同時(shí)靠坯料與模具間的摩擦力產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。本文對(duì)30Cr2Ni4MoV鋼錠扭轉(zhuǎn)鐓粗過程進(jìn)行DEFORM-3D數(shù)值模擬，對(duì)比分析各種影響因素，優(yōu)化工藝參數(shù)，使其能用以改善鍛件內(nèi)部質(zhì)量，提高力學(xué)性能。

圖1 有限元模型Figure 1 The finite element model

1 扭轉(zhuǎn)鐓粗工藝與傳統(tǒng)平砧鐓粗工藝的對(duì)比

有限元模型(圖1)及模擬條件設(shè)置：坯料為30Cr2Ni4MoV鋼錠，高度H=100 mm，直徑D=200 mm，高徑比0.5，初始溫度1 200℃，網(wǎng)格劃分為20 000個(gè)。上下模具材料為H13，初始溫度200℃，網(wǎng)格劃分為8 000個(gè)。上模下壓速度為5 mm/s，下壓量為40%，下模繞Z軸旋轉(zhuǎn)，平砧鐓粗角速度為0，扭轉(zhuǎn)鐓粗選擇角速度為0.1 rad/s，摩擦系數(shù)選取0.3。各參數(shù)對(duì)比如表1所示，其中平均等效應(yīng)變計(jì)算方式為：沿鋼錠軸線方向在中心橫截面取5個(gè)節(jié)點(diǎn)，并測(cè)量各個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變值，然后計(jì)算平均等效應(yīng)變值。

(a)平砧鐓粗(b)扭轉(zhuǎn)鐓粗

圖2 等效應(yīng)變圖

Figure 2 The diagram of equivalent strains

圖3 不同高徑比下的等效應(yīng)變Figure 3 Equivalent strain under different ratios between height and diameter

圖4 下壓載荷行程曲線Figure 4 The stroke curve of pushing down load

平砧鐓粗扭轉(zhuǎn)鐓粗下模角速度/(rad/s)下壓載荷/N最大等效應(yīng)變值最小等效應(yīng)變值平均等效應(yīng)變03.5×1063.990.1040.482 30.13.2×1062.670.1420.449 2

從表1可以看出，扭轉(zhuǎn)鐓粗比傳統(tǒng)平砧鐓粗下壓載荷有所減小，這是由于扭轉(zhuǎn)鐓粗在坯料上施加了扭矩，存在剪應(yīng)力，從而降低了在鐓粗時(shí)所需的下壓載荷。而對(duì)于有效應(yīng)變來說，扭轉(zhuǎn)鐓粗最大最小有效應(yīng)變差值比較小，有效應(yīng)變分布較平砧鐓粗均勻，但是所產(chǎn)生的最大有效應(yīng)變值相對(duì)較小。從圖2可以看出，相對(duì)于平砧鐓粗，扭轉(zhuǎn)鐓粗的難變形區(qū)域明顯減小，增大了鐓粗對(duì)鋼錠心部材料的影響，從而能更好的細(xì)化鋼錠的晶粒，提高鍛件質(zhì)量。

2 各工藝參數(shù)的影響

通過設(shè)置不同的工藝參數(shù)，研究高徑比、摩擦因子及扭轉(zhuǎn)角度對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的影響。結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果來優(yōu)化各項(xiàng)工藝參數(shù)。

2.1 不同高徑比

鋼錠溫度為1 200℃，直徑為200 mm，下壓速度為10 mm/s，下壓量均為40%，摩擦因子為0.45，扭轉(zhuǎn)角度為60°。

分析三幅不同高徑比的等效應(yīng)變(圖3)，可以看出，高徑比越小，最大與最小等效應(yīng)變的差值越小，變形相對(duì)更加均勻一些。從圖4可以看出，在變形程度相同的情況下，高徑比越小，變形也越困難，所需的下壓載荷也越大。

圖5 不同下壓速度下的等效應(yīng)變Figure 5 The equivalent strain under different pushing down speeds

圖6 下壓載荷行程曲線Figure 6 The stroke curve of pushing down load

圖7 扭矩行程曲線Figure 7 The stroke curve of torsional moment

2.2 不同下壓速度

由于鐓粗是最主要的鍛壓工序，那么下壓速度的不同勢(shì)必對(duì)工件成形有所影響。在鋼錠溫度為1 200℃、直徑為200 mm、高徑比為1、下壓量均為40%、摩擦因子為0.5和扭轉(zhuǎn)角度為60°的條件下，分析討論不同下壓速度對(duì)30Cr2Ni4MoV鋼錠扭轉(zhuǎn)鐓粗的影響。

表2 等效應(yīng)變數(shù)據(jù)Table 2 The equivalent strain data

從圖5可以看出，當(dāng)最大應(yīng)變值相同時(shí)，下壓速度相對(duì)較小時(shí)心部面積較大，整體三種下壓速度對(duì)應(yīng)變的影響差別不大，但是速度較小時(shí)，最大有效應(yīng)變值相對(duì)較小。然而通過對(duì)圖6與圖7進(jìn)行分析得出：由于下壓速度的增大，相應(yīng)下壓載荷也變大，從而導(dǎo)致扭矩的增大。在實(shí)際加工過程中應(yīng)盡量減少載荷和扭矩，從這個(gè)角度考慮，下壓速度選取較小一些比較好。

2.3 不同扭轉(zhuǎn)角度

由于扭轉(zhuǎn)鐓粗成形工藝中，不同的扭轉(zhuǎn)角度會(huì)影響工件的變形程度，因此對(duì)扭轉(zhuǎn)角度應(yīng)進(jìn)行必要的研究分析。鋼錠溫度為1 200℃，直徑為200 mm，高徑比為0.75，下壓速度為10 mm/s，下壓量均為40%，摩擦因子為0.45。不同扭轉(zhuǎn)角度對(duì)30Cr2Ni4MoV鋼錠扭轉(zhuǎn)鐓粗的影響分析如下。

從表2可以看出，在15°～45°扭轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)，最大等效應(yīng)變值是一個(gè)減小的過程。在45°以后，隨著角度的增加，最大應(yīng)變值也在逐漸增大。而最小應(yīng)變值是隨著角度的增大一直增大。

從圖8可以看出，扭轉(zhuǎn)角度在30°～45°時(shí)等效應(yīng)變分布比較均勻。這是因?yàn)榕まD(zhuǎn)角度過小，剪切應(yīng)力對(duì)鍛件鐓粗起到的作用不明顯，而如果扭轉(zhuǎn)角度過大，也就是角速度加大，使得模具和鍛件間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)速度差距開始增大，導(dǎo)致試件運(yùn)動(dòng)滯后，從而也就產(chǎn)生了變形的不均勻。

圖8 不同扭轉(zhuǎn)角度下的等效應(yīng)變Figure 8 the equivalent strain under different torsion angles

3 結(jié)論

雖然大型鍛件的扭轉(zhuǎn)鐓粗由于設(shè)備的限制較難實(shí)現(xiàn)，但是通過模擬可以看出這種工藝是一種能有效提高鍛件質(zhì)量的新工藝，結(jié)論如下：

(1)與傳統(tǒng)平砧鐓粗工藝相比較，扭轉(zhuǎn)鐓粗工藝可以明顯減小下壓載荷，并且大變形區(qū)域明顯增大，可以提高鍛件質(zhì)量。

(2)通過對(duì)不同工藝參數(shù)的對(duì)比，可以得出高徑比較小的鍛件扭轉(zhuǎn)角度為30°～45°、下壓速度較小時(shí)，鍛件內(nèi)部的應(yīng)變更加均勻。

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