李光喜，吳玉忠，郭 揚

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550008)

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壓方圓角對長軸類大鍛件質(zhì)量影響研究

李光喜1,2，吳玉忠1，郭 揚2

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550008)

長軸類大鍛件的鍛造過程一般分為壓方、拔長和倒棱滾圓三大步驟，目前對鍛造工藝研究較多的是拔長和倒棱滾圓的優(yōu)化，很少有對壓方工藝優(yōu)化的研究。本文從V型砧邊緣的圓角半徑的大小來對長軸類大鍛件的壓方過程進行模擬優(yōu)化，從鍛件內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變及破壞因子三個方面進行對比分析。結(jié)果表明，適當(dāng)增大V型砧邊緣的圓角半徑可以有效防止鍛件裂紋的產(chǎn)生，為鍛件的質(zhì)量提高和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一種有效、可靠的分析方法。

軸類大鍛件；壓方；裂紋；破壞因子

0 前言

長軸類大鍛件如大型軋輥、傳動軸、汽輪機轉(zhuǎn)子等, 一般用于機器設(shè)備的關(guān)鍵和核心部位,是制造重大裝備的基礎(chǔ)件, 其制造對鍛造技術(shù)水平和工藝設(shè)備要求均十分嚴(yán)格。大型鍛件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是衡量一個國家工業(yè)水平和國防實力的標(biāo)志之一[1-2]。由于大規(guī)格長軸類鈦合金在鍛造時極易出現(xiàn)裂紋等缺陷，需要重視每個鍛造過程以保證最終質(zhì)量。長軸類大鍛件的鍛造過程一般包括壓方、拔長和倒棱滾圓等多個工序，目前國內(nèi)外學(xué)者在大鍛件的拔長、倒棱滾圓工藝上做了很多研究，而對壓方工藝研究較少。文獻[3]對平砧壓方工藝過程進行了有限元模擬，探討了不同的壓下量、接砧量等工藝參數(shù)對鍛件表面質(zhì)量和內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的影響，未涉及V型砧壓方工藝及其在壓方時鍛件裂紋預(yù)測、鍛透性等特征。文獻[4]對平砧和V型砧壓方工藝分別進行了有限元模擬，探討了兩種不同砧型對鍛件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，鍛件裂紋預(yù)測，鍛透性的影響，但未考慮到在鍛件壓方時V型砧邊緣圓角半徑大小對其鍛件內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變及鍛件裂紋的影響。

本文以80 MN的液壓機鍛造某飛機用鈦合金長軸類大鍛件為研究內(nèi)容，基于有限元軟件Deform，對壓方過程進行模擬分析。分析了V型砧邊緣不同圓角半徑對鍛件質(zhì)量的影響，從而確定了鍛件在壓方時V型砧邊緣圓角的合理有效半徑范圍。合理的邊緣圓角有利于防止缺陷的產(chǎn)生，提高鍛件的質(zhì)量，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 分析模型的建立

為了分析V型砧邊緣圓角半徑的大小對壓方過程中鍛坯塑性變形區(qū)內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變分布的影響，本模型采用120 V型砧，邊緣圓角半徑設(shè)定為0 mm、20 mm、40 mm，V型砧材料采用模具鋼4Cr5MoSiV1，鍛件材料為鈦合金Ti-6AI-4V。結(jié)構(gòu)尺寸與材料屬性見表1。

表1 材料的物理性能

當(dāng)砧寬比為0.6～0.8時有利于中心壓實，而且隨著砧寬比的合理增加，更有利于提高鍛件的探傷結(jié)果[5]，本分析模型取型砧寬度為350 mm(砧寬比為0.7)，三種型砧壓方模型見圖1。

2 工藝參數(shù)的設(shè)置

為了避免模具和坯料接觸時溫度發(fā)生突變，鍛造之前將模具預(yù)熱至300℃，上下砧同時運動，速度均為10 mm/s，總體的壓下速度為20 mm/s，壓下量為20%。鍛件初始溫度為1 025℃,環(huán)境溫度設(shè)為28℃，鍛件與上、下砧間傳熱系數(shù)為11,鍛件與環(huán)境間傳熱系數(shù)為0.02。軸類大鍛件鍛造時，為提高拔長效率送進量取砧寬的0.87倍，鍛件固定，讓V型砧做進給運動，進給量為270 mm。

圖1 三種V型砧壓方模型Fig.1 Squaring models of the V-shape forging

3 結(jié)果比較與分析

破壞因子(damage)是用以評價鍛件的內(nèi)部是否出現(xiàn)裂紋的一個非常重要的指標(biāo)，破壞因子的值越大鍛件出現(xiàn)裂紋的可能性就越大。鍛件的壓方實驗由于壓下量比較小，裂紋一般出現(xiàn)在鍛件的表面，在后續(xù)的拔長和倒圓時鍛件表面的裂紋進一步加大就會造成鍛件內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，所以鍛件早期壓方工藝條件的優(yōu)化可以有效控制裂紋的產(chǎn)生，從而保證鍛件的最終質(zhì)量。

圖2 壓方時鍛件的破壞因子分布圖Fig.2 Damage distribution of the forging in squaring process

圖2是V型砧邊緣圓角半徑取不同值時，對鍛件壓方時鍛件截面破壞因子的分布圖。從圖中可以看出，V型砧邊緣圓角的半徑越大，鍛件的表面及內(nèi)部的破壞因子越小，即鍛件產(chǎn)生裂紋的可能性就會變小?？梢姡琕型砧邊緣圓角半徑越大，越有利于控制鍛件裂紋的產(chǎn)生。

3.1 應(yīng)變的分析

圖3 壓方時鍛件的內(nèi)部應(yīng)變分布圖Fig.3 Internal strain distribution of the forging in squaring process

從圖3中可以看出：大部分的變形主要發(fā)生在靠近鍛件的表面處，心部的應(yīng)變范圍比較小，主要是由于鍛件壓方時，壓下量較小，對于心部比較難鍛透。從圖中應(yīng)變的數(shù)值上來說，隨著V型砧邊緣圓角的增大，鍛件的內(nèi)部應(yīng)變越來越小，即三者的最大應(yīng)變值分別為1.06、1.04、1.02，可以看出三者的差值很小，可見，V型砧邊緣圓角的大小對于鍛件的內(nèi)部應(yīng)變影響較小。

3.2 應(yīng)力的分析

圖4 壓方時鍛件的軸向內(nèi)部應(yīng)力分布圖Fig.4 Axial internal stress distribution of the forging in squaring process

圖5 V型砧壓方時鍛件的橫向內(nèi)部應(yīng)力分布圖Fig.5 Transverse internal stress distribution of the forging in squaring process

圖4、5為鍛件的內(nèi)部軸向和橫向應(yīng)力分布圖，從中可以看出，V型砧邊緣圓角半徑為0 mm時，鍛件的內(nèi)部在橫向(Z向)較多存在為拉應(yīng)力，而軸向(Y向)拉應(yīng)力主要分布在邊緣部分；圓角半徑為20 mm時，鍛件的橫向和軸向上都出現(xiàn)了壓應(yīng)力，且都在邊緣部分；圓角半徑為40 mm時，鍛件的邊緣在軸向上出現(xiàn)了壓應(yīng)力且比前兩種情況都大，相反在橫向上的壓應(yīng)力則大面積出現(xiàn)在鍛件的心部。

在鍛造的過程中，鍛件的內(nèi)部及邊緣分布為拉應(yīng)力時，極易導(dǎo)致鍛件裂紋的產(chǎn)生，理想狀態(tài)是使鍛件的橫向和軸向均產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力。從上述的分析中可知，V型砧邊緣圓角半徑為0 mm時，鍛件的表面及內(nèi)部容易產(chǎn)生裂紋；V型砧邊緣圓角半徑為20 mm和40 mm時，鍛件的邊緣和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的可能行要小，但后者更有利于防止裂紋的產(chǎn)生和鍛件內(nèi)部空洞的鍛合，鍛造效果更佳。

4 結(jié) 論

(1)V型砧邊緣圓角半徑越大，越容易使鍛件內(nèi)部的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，同時破壞因子的值也隨之減小，很好的控制了軸類大鍛件內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生。

(2)對于鍛件的內(nèi)部應(yīng)變來說，隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大鍛件內(nèi)部應(yīng)變會減小，但是變化不大，對鍛件的整體質(zhì)量不會產(chǎn)生太大的影響。但是V型砧邊緣圓角半徑過大V型砧的進給量減小，直接影響拔長的效率。

因此適當(dāng)增加V型砧邊緣的圓角半徑有利防止軸類大鍛件內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，保證鍛件的質(zhì)量，為后續(xù)的拔長、倒棱滾圓等工序打下良好的基礎(chǔ)。本文對實際的生產(chǎn)具有很好的指導(dǎo)意義。

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Influence on the quality of forgings long-axis heavy forgings in squaring process

LI Guang-xi1,2, WU Yu-zhong1, GUO Yang2

(1.School of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China;2.Guizhou Industry Polytechnic College, Guiyang 550008, China)

According to the characteristics of long-axis heavy forgings. The whole forging process of longaxis heavy forging was divided into three steps, including squaring, stretching and chamfering rounding. Researches of forging process are now focused on the optimization of stretching， but hardly on forging process optimization. By means of DEFORM-3D software, edge radius of V-shaped anvil were simulated and optimized from aspects of internal stress state, stress and the damage factor in squaring process. Results of Simulation show that appropriate edge radius of V-shaped anvil can prevent forging cracks and improve the quality of forgings.

long-axis heavy forgings; squaring; crack; damage factor

2014-07-25；

2014-08-16

李光喜(1983-)，河南新野人，工學(xué)博士，主要從事制造工藝與裝備、先進機電裝備設(shè)計與工程分析研究。

TG316

A

1001-196X(2015)01-0040-03