任中立 郭蔚琦 余念 但斌斌 容芷君 劉宗鍇

（1：中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司 上海200941；2：武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢430081；3：武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢430081）

1 前言

徑向精鍛機(jī)是奧地利GFM公司的專利設(shè)備，其原理是用四個(gè)沿圓周成90°間隔對(duì)稱布置的錘頭對(duì)金屬材料進(jìn)行高頻鍛打［1－2］。20世紀(jì)80年代我國開始引進(jìn)該設(shè)備，并在21世紀(jì)初開始研發(fā)徑向精鍛機(jī)產(chǎn)品，但是目前產(chǎn)品有限且研發(fā)緩慢［3－4］。鍛錘的破壞和更換問題嚴(yán)重影響實(shí)際使用與生產(chǎn)的連續(xù)性，其破壞部位最常見的是鍛錘表面圓角結(jié)構(gòu)。Abbas Ghaei、莫琛等［5－6］利用有限元方法，對(duì)徑向鍛造過程進(jìn)行建模，考慮模具形狀對(duì)鍛件截面的影響，圓角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，且對(duì)工件質(zhì)量亦有影響。徐瀟等［7］研究了熱鍛過程中鍛錘的受力情況，發(fā)現(xiàn)模具圓角處容易出現(xiàn)最大的應(yīng)力值，實(shí)際生產(chǎn)中有圓角處容易產(chǎn)生疲勞裂紋出現(xiàn)損傷。薛河等［8］研究了鍛錘圓角半徑對(duì)錘頭受力影響，倒角半徑增大則應(yīng)力會(huì)減小，但倒角超過一定程度后，應(yīng)力會(huì)直線上升。這些都推動(dòng)了徑向精鍛機(jī)鍛錘設(shè)計(jì)的發(fā)展。鍛錘的整體設(shè)計(jì)越來越符合實(shí)際要求，但過渡圓角容易出現(xiàn)損傷的問題卻一直未得到解決。所以將研究重點(diǎn)放在過渡圓角尺寸對(duì)鍛錘受力受熱方面，以改善其受力受熱情況，完善鍛錘設(shè)計(jì)。

鍛錘出現(xiàn)損傷原因有兩個(gè)：一是正面與側(cè)面之間的過渡圓角處因形狀變化，導(dǎo)致應(yīng)力集中；二是在鍛造的過程中，由于多次的撞擊使鍛錘圓角處出現(xiàn)疲勞損傷。本研究重點(diǎn)基于應(yīng)力及溫度場(chǎng)的鍛錘表層過渡圓角半徑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以改善其受力受熱情況，以便提高鍛錘的鍛造水平，降低制造成本，提高批量生產(chǎn)能力。

2 熱力耦合有限元法

在鍛造過程中，鍛造發(fā)生非線性變形時(shí)伴隨有溫度的變化。由于溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)變形和材料的相關(guān)特性產(chǎn)生影響，同時(shí)熱邊界條件亦會(huì)隨結(jié)構(gòu)變形而有所改變，進(jìn)而影響溫度的變化，因而為了能準(zhǔn)確分析鍛錘鍛造過程中的應(yīng)力和溫度變化，通常將溫度場(chǎng)的求解和應(yīng)力分析結(jié)合起來共同考慮。

在用更新的Lagrange方法描述的熱彈塑性基礎(chǔ)之上，與溫度場(chǎng)相互耦合的非線性大變形熱彈塑性分析的增量形式，其有限元可表示如下。對(duì)邊界條件為S，體積為V的連續(xù)介質(zhì)，其能量守恒方程可表示為

式中：vi－速度場(chǎng)；

ρ－質(zhì)量密度；

U－給定內(nèi)能；

ˉQ－給定體積熱流；

bi－給定體積力；

Pi－單位上的邊界力；

H－邊界S上的單位面積上的熱流強(qiáng)度。

對(duì)體積為V，質(zhì)量密度為ρ的連續(xù)介質(zhì)，其力平衡方程的積分形式為：

式中：Pi－鍛造壓力；

ni－表面S的單位法線方向；

σij－柯西應(yīng)力分量。

若將式（2），式（3）帶入式（1），得到最終的熱－力耦合的能量守恒方程為：

3 有限元模型及邊界條件

3.1 熱力耦合有限元模型

本文的研究為某型徑向精鍛機(jī)鍛錘，其三維模型如圖1所示。在有限元仿真軟件的前處理中，根據(jù)熱力耦合大變形彈塑性有限元法建立的鍛錘與工件的有限元模型如圖2所示。

圖1 鍛錘模型

圖2 鍛錘和工件有限元模型

3.2 邊界條件

選取G520作為鍛錘材料，選取Q235作為工件材料，材料特性如表1。施加約束和載荷時(shí)，盡量按照實(shí)際工況進(jìn)行，這樣才能保證計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際生產(chǎn)加工情況，設(shè)置鍛造深度為10mm、速度為20mm／s，為節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)間，工件長度取320mm，直徑200mm。工件兩端施加固定約束，考慮工件與鍛錘之間的摩擦，摩擦系數(shù)為0.3［9］，熱傳導(dǎo)系數(shù)為20kW／（m·℃）［10］。與外界環(huán)境的等效對(duì)流換熱系數(shù)為0.02kW／（m·℃），熱輻射率取0.8，熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)相應(yīng)取0.9，鍛錘預(yù)熱溫度為300℃，工件預(yù)熱溫度為800℃。將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為密網(wǎng)格，設(shè)置單元尺寸為4mm，不規(guī)則結(jié)構(gòu)處采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，其他地方用六面體網(wǎng)格，與工件接觸處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，共有225783個(gè)單元，354248個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 材料性能表

4 結(jié)果分析

實(shí)際工況表明，鍛錘的過渡圓角附近是鍛錘損傷的主要區(qū)域。而鍛錘的過渡圓角尺寸對(duì)鍛錘應(yīng)力與溫度情況有很大影響，本文對(duì)不同過渡圓角尺寸的鍛錘附近溫度、應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。

4.1 過渡圓角半徑對(duì)鍛錘溫度影響

鍛錘表面溫度升高主要是源于鍛錘表面與熱坯料接觸發(fā)生的熱傳導(dǎo)，坯料變形時(shí)沿表面滑移產(chǎn)生摩擦熱效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致鍛錘近表層溫度升高。為方便觀察，取鍛錘四分之一模型，如圖3所示，為在彈塑性耦合鍛造結(jié)束后鍛錘的溫度場(chǎng)分布圖。鍛造時(shí)，鍛錘與工件接觸的表面的溫度在短時(shí)間內(nèi)升高，溫度場(chǎng)呈現(xiàn)梯度分布，熱影響區(qū)域較小。溫度變化主要發(fā)生在鍛錘與高溫工件接觸的部位，鍛造深度的增加，溫度逐漸升高，鍛造到10mm時(shí)，其最高溫度為521℃。鍛錘溫度場(chǎng)的熱滲透距離小，其他地方溫度基本未變，其主要原因?yàn)殄N鍛工作速度快，鍛錘每次與工件接觸時(shí)間短，鍛錘與工件發(fā)生熱傳導(dǎo)少，導(dǎo)致鍛錘近表層熱滲透距離小。

圖3 溫度分布

根據(jù)上述仿真條件可得到不同過渡圓角大小的鍛錘表面溫度數(shù)據(jù)，如圖4所示，鍛造到10mm深時(shí)，當(dāng)鍛錘表面過渡圓角半徑在10mm～22mm之間時(shí)，鍛錘表面溫度呈下降趨勢(shì)；當(dāng)過渡圓角半徑在22mm～35mm之間時(shí)，鍛錘表面溫度呈上升趨勢(shì)。過渡圓角較小，影響鍛錘表面與空氣之間的對(duì)流散熱，鍛錘溫度難以傳導(dǎo)。過渡圓角半徑增加，會(huì)增加鍛錘與工件的傳熱和荷載傳遞。

圖4 過渡圓角半徑對(duì)溫度的影響

4.2 過渡圓角半徑對(duì)鍛錘等效應(yīng)力影響

如圖5所示，鍛錘的等效應(yīng)力應(yīng)變主要集中在鍛錘過渡圓角周圍及過渡圓角的交點(diǎn)處，并向四周擴(kuò)散，最大等效應(yīng)力為564MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.0039747。過渡圓角及過渡圓角交接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，原因?yàn)樾螤畎l(fā)生不連續(xù)變化或連續(xù)性較差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力迅速增大的情況。較大過渡圓角，其弧形結(jié)構(gòu)有著更為光滑的邊緣，能夠降低應(yīng)力集中的程度。

圖5 應(yīng)力應(yīng)變分布情況

圖6為鍛錘所受等效應(yīng)力應(yīng)變折線圖，鍛錘與工件剛開始接觸時(shí)，其等效應(yīng)力應(yīng)變值快速增大，隨著鍛造深度增加，其等效應(yīng)力減小，說明在沿指定路徑上應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢(shì)越來越平穩(wěn)，應(yīng)力集中現(xiàn)象減小。過渡圓角半徑增大，其等效應(yīng)力應(yīng)變逐漸減小。當(dāng)在過渡圓角半徑在10mm～30mm之間，過渡圓角半徑越大對(duì)減小鍛錘應(yīng)力集中越有益。

圖6 過渡圓角半徑與應(yīng)力和應(yīng)變

5 結(jié)論

1）鍛錘鍛造時(shí)，鍛錘與工件接觸的表面為其主要溫度升高處。

2）過渡圓角半徑在10mm～22mm之間，鍛錘表面溫度呈下降趨勢(shì)，過渡圓角半徑增加將減小應(yīng)力集中。過渡圓角半徑在22mm～30mm之間，鍛錘表面溫度呈上升趨勢(shì)，過渡圓角半徑繼續(xù)增加將增加傳熱和荷載傳遞。

3）鍛錘鍛造時(shí)，鍛錘過渡圓角處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，此處易出現(xiàn)損傷。

4）過渡圓角半徑在10mm～30mm之間，鍛錘表面過渡圓角半徑越大，其等效應(yīng)力和等效應(yīng)變?cè)叫　?/p>