王煒劉建紅(天津重型裝備研究有限公司，天津300457)

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大型鋼錠壓鉗口過程中冒口底部材料流動行為研究

王煒劉建紅
(天津重型裝備研究有限公司，天津300457)

摘要:針對大型自由鍛鍛件原始鋼錠的冒口底部與鋼錠錠身之間過渡區(qū)域的材料流動行為，本文采用有限元方法對大型鋼錠自由鍛造過程中的壓鉗口工序進行了模擬計算，并根據(jù)模擬結果，對冒口材料進入鍛件內部的可能性及其對最終鍛件產品質量的影響進行了考察。

關鍵詞:有限元;自由鍛造;壓鉗口;材料流動

大型鍛鋼支承輥、電機轉子、核電外殼等均是采用鋼錠作為原始坯料，后期熱加工工藝制定與鋼錠的鑄態(tài)組織及原始缺陷分布有直接關聯(lián)。當前，采用常規(guī)工藝冶煉的鋼錠通常包含三部分:冒口、錠身和水口。其中錠身為制造鍛件的原料，而冒口、水口容納了較多的冶金雜質，最終會作為棄料切除。在現(xiàn)有設備及技術狀況下，生產軸類鍛件時，冒口部分在切除之前一般會進行壓鉗口工藝，鍛造出鉗把作為鋼錠后期鍛造的夾持端。在這個工藝過程中，總變形量較大，實際生產中冒口中心部位常會形成向錠身內部凹陷的直觀現(xiàn)象，即形成“凹心”，因此存在一種觀點，認為在壓鉗口過程中有可能會導致冒口根部冶金質量較差的材料進入鍛件內部，影響產品質量。為了具體考察這方面的影響，本文采用Deform-3D對110 t級的鋼錠壓鉗口過程進行了有限元計算，根據(jù)計算結果分析了鋼錠冒口底部至鋼錠錠身之間過渡區(qū)域的材料的流動行為，并對壓鉗口工藝過程對后期鍛件質量的影響進行了探討。

1　計算模型及方法

1．1模型設定

材料選用生產軋輥的Cr5鍛鋼材質，其化學成分如表1所示。材料的應力應變關系采用通過不同溫度和應變速率下的小試樣熱模擬實驗數(shù)據(jù)來獲得，并編輯導入Deform-3D材料庫中。

表1　Cr5鍛鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1　Chemical composition of Cr5 forged steel( mass fraction，%)

圖1　鋼錠模型圖Figure 1　 Diagram of steel ingot model

圖2　網格模型及輔具布置圖Figure 2　Arrangement diagram of mesh model and auxiliary tools

圖3　冒口底部選點分布情況Figure 3　 Distribution situation of selected points at the bottom of riser

圖4　壓鉗口完畢后取樣點的位置分布Figure 4　 Distribution of sampling points after pressing jaw

原始坯料選用110 t級的鋼錠，其基本尺寸如圖1所示，模擬過程采用Deform-3D對鋼錠按照30 000個網格單元進行四面體自動網格劃分。壓鉗口過程采用850 mm上平砧、下V型砧作為輔具，輔具和鋼錠的布置圖見圖2。

1．2環(huán)境參數(shù)

模擬參數(shù)按照如下設定:鋼錠開始溫度采用1 230℃，輔具溫度設為200℃，環(huán)境溫度為室溫，考慮工件與模具間的接觸及傳熱，摩擦因子取值0．7，傳熱系數(shù)采用Deform-3D默認值。

1．3工藝參數(shù)

鉗口最終尺寸設為?1 250 mm，計算過程中坯料每次翻轉角度在盡可能符合實際鍛造操作的基礎上以能夠穩(wěn)定立料，并且模擬過程中不發(fā)生大角度旋轉為準。每錘壓下量控制在300 mm左右，待與成品尺寸相差不夠300 mm時直接鍛造到?1 250 mm，同時采用小角度翻轉，以使坯料表面平滑。

此外，本文的模擬過程針對壓鉗口時錠身水口部分被操作機完全夾持的狀況，即水口沿錠身軸向的位移受到了限制。

2　模擬結果分析

2．1冒口底部材料流動狀況

為考察冒口底部材料的流動情況，這里通過Deform-3D中的點跟蹤技術來操作，如圖3所示，在冒口底部及其左右各50 mm位置分別均勻選取21個點，相鄰點縱向距離為100 mm，共計3列63個點。為方便起見，圖4中的中間一列編號記為P1-P21，左側錠身內部的一列編號自上而下記為I1-I21，右側冒口內部的一列編號自上而下記為O1-O21。圖4為壓鉗口完畢后上述點的位置分布情況。

圖4中的分界線是壓完鉗口后錠身和鉗口的分界。從圖4來看，壓完鉗口后O1-O21中部區(qū)域貼近前述的分界線，P1-P21則基本進入分界線以內，這說明在壓鉗口過程中，冒口底部材料確實進入錠身內部。由圖4右側的坐標圖來看，進入錠身內部的材料應為P1-P21沿錠身中軸線旋轉后至分界線之間的部分，其體積記為V。V的數(shù)值可以按公式( 1)來做近似估算:式中，x為圖4的橫軸坐標; f( x) = y為圖4的縱軸坐標。對于x＞0一側的數(shù)據(jù)點，V約為0．06 m3，對于x＜0的一側，V約為0．1 m3，折合成質量則由冒口進入輥身的材料m約為400 kg～800 kg。

從上述計算結果來看，在操作機夾持鋼錠水口端，采用850 mm上平下V砧，以每砧約為300 mm壓下量針對圖1所示的110 t級的鋼錠進行壓鉗口時，冒口底部材料存在向鋼錠內部流動的情況，最終進入鋼錠內部的材料重量大致在400kg～800 kg，分布在錠身冒口側約為60 mm區(qū)域的中心部位，這部分材料來源于原始鋼錠冒口根部50 mm(即P1-P21與O1-O21之間的材料)的區(qū)域，占這部分區(qū)域材料總重的30%～60% (即冒口切頭占鋼錠的0．91%)。

2．2壓下量對底部材料流動的影響

為了進一步考察鋼錠冒口底部材料在壓鉗口過程中向鋼錠錠身的走料行為，這里采用每砧約為200 mm的壓下量重新完成了一遍壓鉗口過程，其余的參數(shù)設定均和每砧約為300 mm的模擬過程相同，最終也通過布置P、I、O點序列來分析變形后的材料流動狀況。

圖5　采用每砧200 mm與每砧300 mm壓下量完成壓鉗口后取樣點位置分布對比( P1-P21)Figure 5　 Comparison of location distribution of selectedpointsafter pressing jaw with the reduction of 200 mm and 300 mm per press( P1-P21)

如圖5所示，采用每砧200 mm壓下量完成壓鉗口過程時，冒口底部進入錠身內部的材料比采用每砧300 mm的情況有明顯減小。從取樣點來看，每砧200 mm時取樣點進入錠身最多45 mm，且沿徑向呈“尖峰”的形狀，而每砧300 mm時取樣點在錠身中部長約為750 mm的區(qū)域進入錠身內部約為55 mm，這樣兩種情況下，進入錠身內部的體積就會有較大差別。這里采用V1標示每砧300 mm時的體積，V2標示每砧200 mm時的體積。顯然V1 = V = 0．06 m3～0．1m3。V2采用公式( 1)可以得到:對于x＞0一側的數(shù)據(jù)點，V2約為0．03 m3，對于x＜0的一側，V2約為0．07 m3，折合成質量則由冒口進入輥身的材料共計約200 kg～550 kg。

綜上可見，每砧壓下量減小到200 mm壓鉗口時，冒口底部進入錠身的材料由約400 kg～800 kg減少到約200 kg～550 kg，減少了30%以上，因此，每砧壓下量對冒口底部材料的流動狀況有比較直接的影響。

2．3進入錠身內部的材料對鍛件質量的影響

一般而言，鋼錠冒口部位的材料夾雜物較多，且較為疏松，因此如果這部分材料進入最終鍛件內部則有可能對鍛件性能造成不利影響。根據(jù)前述分析，對于110 t級別，冒口直徑達2 100 mm的鋼錠，采用300 mm每砧壓下量時進入錠身內部的材料約在800 kg以內，在實際生產中每砧壓下量持續(xù)保持在300 mm甚至400 mm以上并不多，因此可以認為如果能夠將錠身冒口端特別是中心部位去除1 000 kg以上的棄料就能夠避免冒口料進入最終鍛件，即冒口切頭約占鋼錠0．91%。當前國內由普通鋼錠直接鍛造的大鍛件的水冒口切頭一般均控制在5%以上，從這個角度來看，在正常執(zhí)行工藝的條件下，壓鉗口時冒口底部材料向錠身內部的流動不會對鍛件成品質量產生影響。

3　結論

( 1)對于110 t級別，采用操作機夾持水口端，并采用上平下V型砧壓鉗口過程中，冒口底部材料存在向錠身內部流動的趨勢，這種趨勢和壓鉗口過程中的每砧壓下量大小直接相關，壓下量越大，流動趨勢越強烈。此外，壓鉗口過程中進入鋼錠內部的材料位于鋼錠原始冒口的底端，冒口中上部材料不會進入鋼錠內部。

( 2)最終鍛件的冒口棄料控制在5%以上對于當前考察的鋼錠級別及鍛造工藝方式完全可以避免冒口料進入最終鍛件，因此在正常執(zhí)行工藝的條件下，鋼錠冒口部位的材料流動不會對最終鍛件成品產生影響。

參考文獻

［1］曾志朋．DEFORM軟件的二次開發(fā)與大型鍛件鍛造工藝優(yōu)化［D］．北京機電研究所碩士學位論文．2002．

［2］汪大年．金屬塑性成型理論．北京:機械工業(yè)出版社，1985．

編輯傅冬梅

Research on the Material Flowing Behavior at the Bottom of Riser during the Process of Pressing Jaw for Large Ingot

Wang Wei，Liu Jianhong

Abstract:Aiming at the material flowing behavior of the transition section between the riser bottom and the body of the initial ingot of large forging，the pressing jaw process during free forging of large ingot is simulated by finite element method，and based on the simulation results，the possibility of the riser material getting into the forging and the influence on the quality of the final forging products are investigated．

Key words:finite element; free forging; pressing jaw; material flowing

收稿日期:2014—08—11

文獻標志碼:A

中圖分類號:O242．21