鞠春利劉建紅王敬禹

(1.中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司，黑龍江161042;2.天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

超大型鍛件FM過(guò)程中折傷的形成過(guò)程分析及砧型優(yōu)化

鞠春利1劉建紅2王敬禹2

(1.中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司，黑龍江161042;2.天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

針對(duì)300 t以上超大型鍛件FM壓實(shí)過(guò)程中的折傷問(wèn)題，采用有限元法對(duì)折傷區(qū)域的形成進(jìn)行模擬，揭示FM錯(cuò)砧形成的臺(tái)階跟部的變形局部化是折傷形成的原因。采用上砧邊部倒角的方式對(duì)砧型進(jìn)行了優(yōu)化，避免了鍛造中材料變形的局部化，從而解決了折傷形成問(wèn)題。

超大型鍛件;折傷;有限元法

對(duì)于300 t以上超大型鍛件坯料的壓實(shí)鍛造過(guò)程，受到水壓機(jī)的立柱空間、水壓機(jī)噸位以及坯料翻轉(zhuǎn)等多個(gè)因素的影響，當(dāng)前一般采用無(wú)中心拉應(yīng)力法，即FM(Free from Mannesmann Effect)［1］法作為主要的壓實(shí)鍛造方法。

采用FM法鍛造，上砧采用寬平砧，下砧采用大平臺(tái)。為了保證坯料中心能達(dá)到足夠的壓實(shí)效果，需要在每一砧施加較大的壓下量。當(dāng)前多采用坯料高度H的20%作為單砧壓下量，即:ΔH≥H×20%。這個(gè)數(shù)值導(dǎo)致的一個(gè)直接結(jié)果就是壓下去的這一區(qū)域同相鄰區(qū)域會(huì)存在一個(gè)較高的臺(tái)階，這個(gè)臺(tái)階的高度Δh受多個(gè)因素影響，大致在H×15%～ΔH之間。當(dāng)錯(cuò)砧繼續(xù)壓相鄰區(qū)域的時(shí)候，臺(tái)階跟部常會(huì)形成折傷，這種情況很常見，是300 t級(jí)以上鋼錠FM過(guò)程中出傷的一個(gè)重要來(lái)源。此類折傷橫跨整個(gè)接觸面，且每一道次可能留下2～3條折傷。折傷一旦形成，立刻吹氧清除會(huì)影響生產(chǎn)，不清除則可能會(huì)加深，導(dǎo)致后續(xù)火次表面容易出現(xiàn)橫紋傷。

本文采用平面應(yīng)變的方式對(duì)折傷的形成進(jìn)行模擬分析，揭示折傷的形成過(guò)程及原因，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)FM的上砧砧型進(jìn)行優(yōu)化，以減小折傷的形成傾向。

1 平面應(yīng)變模型

根據(jù)FM的特點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化:

(1)由于FM過(guò)程的特點(diǎn)，除了坯料兩側(cè)的材料以外，中間大部分區(qū)域基本上處于平面應(yīng)變狀態(tài)，因此將模型按照等效應(yīng)變簡(jiǎn)化為二維模型，如圖1所示。矩形網(wǎng)格區(qū)域代表坯料，寬3 500 mm，高3 000 mm。

圖2 第一砧壓下過(guò)程及臺(tái)階形狀Figure 2 Pressing processwith the first anvil and step shape

圖3 變形過(guò)程中上砧與坯料在折傷位置的局部輪廓遷移過(guò)程Figure 3 Local profile transferring process of the upper anvil and billet at the position of fold imprint

圖4 折傷的三維形貌特征Figure 4 Three-dimensional appearance of fold imprint

(2)僅考慮正常工藝執(zhí)行情況下只有1處折傷的變形情況，即坯料正常保溫保透，假設(shè)整個(gè)坯料處于恒定的1 200℃，壓一道次，時(shí)間短，溫度降低較少，因此模擬中直接忽略傳熱。

(3)上砧輔具為矩形截面，寬2 000 mm，邊角處倒120 mm的圓角，壓下量為坯料高度的20%，按照?qǐng)D1所示進(jìn)行錯(cuò)砧。

除了上述簡(jiǎn)化，模型采用較密實(shí)的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以更好的反映變形過(guò)程。

2 計(jì)算結(jié)果及形成原因分析

第一砧壓下過(guò)程及臺(tái)階形狀如圖2所示。第一砧壓完后，臺(tái)階就形成了。第一砧相鄰區(qū)域盡管不在上砧正下方，但是變形受到上砧的影響。局部材料除了一個(gè)向下的位移，還存在一個(gè)向左的位移，因此實(shí)際形成的臺(tái)階是一個(gè)斜面，臺(tái)階跟部還存在一定的圓角。

錯(cuò)砧后，為了更好的反映第二砧臺(tái)階跟部的折傷形成過(guò)程，這里將其過(guò)程均勻的分成11個(gè)步驟，如圖3所示。為了清楚起見，這里將有限元網(wǎng)格進(jìn)行剔除，僅保留了臺(tái)階部位處坯料和上砧的輪廓特征。從這11個(gè)步驟來(lái)看:

(1)1～3步屬于開始階段，由于坯料上部和上砧開始未完全接觸，因此臺(tái)階區(qū)域的變形主要集中在上部區(qū)域，臺(tái)階斜面的形狀基本保持不變。

(2)在4～6步，臺(tái)階斜面的中部逐漸弓起，呈現(xiàn)一個(gè)類似鐓粗的變形特征。在這一階段，由于上部材料和上砧已經(jīng)緊密接觸，在摩擦力作用下，變形受到上砧的強(qiáng)烈束縛，因此變形區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)到變形較為自由的臺(tái)階中部區(qū)域。

(3)7～9步是折傷形成階段，第6步的變形導(dǎo)致臺(tái)階跟部已經(jīng)由鈍角轉(zhuǎn)化為接近直角，因此在進(jìn)一步變形過(guò)程中，臺(tái)階上部區(qū)域因變形傳遞給跟部材料的作用力沿水平方向的分力逐漸降低，以至于無(wú)法推動(dòng)跟部材料繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)變形繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，臺(tái)階跟部會(huì)由直角進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為銳角。銳角一旦形成，銳角的上表面下方無(wú)材料支撐，而銳角的尖端向右運(yùn)動(dòng)的傾向進(jìn)一步變?nèi)?，這樣銳角尖端的上下表面的閉合成為該區(qū)域的主要變形行為，在尖端強(qiáng)烈的應(yīng)力集中作用下，上下表面最終閉合，形成了折疊區(qū)。

(4)10～11步是折疊區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大的過(guò)程。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，臺(tái)階側(cè)面向右運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致臺(tái)階跟部的銳角尖端折疊區(qū)不斷加大，反映到三維的情況就是一個(gè)長(zhǎng)條狀的折傷(圖4)。

圖3下方對(duì)最終折傷的局部細(xì)節(jié)進(jìn)行了放大，可以看到坯料中折傷是一個(gè)傾斜的材料堆疊區(qū)。在鍛造過(guò)程中，一般采用吹氧的方式處理鍛造裂紋，但是對(duì)于這種堆疊在一塊的區(qū)域，吹氧難度較大，而且很難將折傷區(qū)展開，為后續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)很大的麻煩。

從上述過(guò)程來(lái)看，臺(tái)階跟部的角度轉(zhuǎn)化為直角是折傷形成的一個(gè)臨界點(diǎn)，在此之后，跟部區(qū)域的受力產(chǎn)生很大變化，從而導(dǎo)致變形由相對(duì)均勻的向右下方移動(dòng)轉(zhuǎn)化為材料堆疊過(guò)程，因此要從輔具形狀入手解決折傷問(wèn)題。這就需要盡可能避免臺(tái)階跟部直角的產(chǎn)生，采用上身邊部開倒角的方式可以達(dá)到這個(gè)目的。

圖5 倒角砧的形狀特征及第一砧完成后臺(tái)階部位的輪廓特征Figure 5 Profile of chamfered anvil＆step shape generated by the first anvil

圖6 采用倒角砧壓實(shí)時(shí)變形過(guò)程中上砧與坯料在折傷位置的局部輪廓遷移過(guò)程Figure 6 Local profile transferring process of the upper anvil and billet at the position of fold imprint in forge press by using cham fered anvil

3 輔具參數(shù)調(diào)整對(duì)折傷的影響

對(duì)上砧左側(cè)進(jìn)行倒角處理，倒角尺寸為200 mm×200 mm，倒角兩側(cè)采用R100 mm做圓滑過(guò)渡。圖5右側(cè)為壓完第一砧后臺(tái)階的形狀，和采用未倒角的上砧相比，臺(tái)階由單一斜面變成了兩段斜面，兩段斜面中間呈現(xiàn)內(nèi)凹的形狀，同時(shí)臺(tái)階跟部的鈍角角度相對(duì)于圖2有所加大。

在第一砧的基礎(chǔ)上，繼續(xù)完成第二砧錯(cuò)砧。為了便于對(duì)比，將第二砧也轉(zhuǎn)化為11個(gè)步驟，臺(tái)階部位的局部輪廓變化如圖6所示。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在1～8步的過(guò)程中，臺(tái)階側(cè)面的變形主要表現(xiàn)為圖4中第一砧形成的兩斜面結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)化為單一斜面，而臺(tái)階跟部的鈍角在整個(gè)過(guò)程中幾乎沒(méi)有什么變化。在9～11步，臺(tái)階趨于消失，沒(méi)有任何折疊出現(xiàn)，最終留下了一個(gè)局部起伏，這種起伏不會(huì)對(duì)后續(xù)鍛造產(chǎn)生任何影響，平整一下即可消失。

綜上可見，通過(guò)采用倒角砧，有效的消除了臺(tái)階跟部區(qū)域的材料堆疊行為。本質(zhì)上，圖4中臺(tái)階中部的內(nèi)凹形狀受到臺(tái)階中部的變形作用逐漸趨于平直，在這個(gè)過(guò)程中處于下方的斜面區(qū)材料右移，變形趨勢(shì)被適度削弱，而臺(tái)階跟部較大的鈍角進(jìn)一步削弱了會(huì)導(dǎo)致跟部區(qū)域角度減小的變形。在這兩方的共同作用下，材料堆疊被完全消除，避免了折傷的形成。

4 結(jié)論

(1)超大型鍛件FM壓實(shí)過(guò)程中折傷的形成與錯(cuò)砧形成的臺(tái)階跟部的角度變化有直接關(guān)系，本質(zhì)上是臺(tái)階跟部銳角區(qū)的形成導(dǎo)致原來(lái)相對(duì)均勻的變形轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)的材料堆疊過(guò)程。

(2)采用上寬砧邊部倒角的方式可以改變錯(cuò)砧形成的臺(tái)階形狀，使臺(tái)階中部區(qū)域可以容納較大的變形而不會(huì)影響臺(tái)階跟部的角度，從而有效避免折傷的形成。

［1］ 康大韜，葉國(guó)斌.大型鍛件材料及熱處理.北京:龍門書局出版社，1998.

編輯 杜青泉

Analysis on Generation of Fold Imprint in FM Process of Super-large Forging＆Die Shape Optimization

Ju Chunli，Liu Jianhong，W ang Jingyu

Aiming at the fold imprint created during the FM compacting of the super-large forgings above 300 tons，the finite elementmethod is adopted to simulate the generation of fold imprintarea，and the simulation findings indicate the cause of the fold imprint is the local distortion at the step root created by transverse moving the die in the FM process.The die shape is optimized by cham fering edges of the upper die，localized material distortion is avoided，thereby the generation of fold imprint has been fixed.

super-large forging;fold imprint;finite elementmethod

O242.21

A

2013—07—03

鞠春利(1971—)，男，從事大型鍛件生產(chǎn)及科研工作。