陳新倬 門正興

(1.中國第二重型機械集團公司，四川618013；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，四川610021)

長軸類T形截面鍛件自由鍛成形過程分析

陳新倬1門正興2

(1.中國第二重型機械集團公司，四川618013；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，四川610021)

利用Deform軟件對長軸類T形截面鍛件自由鍛成形過程進行了有限元分析，對成形模具結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化并對成形過程中可能出現(xiàn)的缺陷進行了預(yù)測和分析。根據(jù)模擬結(jié)果，增大下模長度可顯著增加成形過程中金屬沿鍛件軸向流動的摩擦阻力，從而提高鍛件兩側(cè)凸耳的填充效果。

T型截面；大鍛件；有限元分析

當前，自由鍛仍然是大型承力類零件的唯一生產(chǎn)方法[1]，汽輪機轉(zhuǎn)子、大型軋輥、核電及壓力容器筒體等典型自由鍛產(chǎn)品是重大裝備制造業(yè)的核心部件。不同于模鍛批量化生產(chǎn)，自由鍛生產(chǎn)中的不確定性隨著零件尺寸、生產(chǎn)周期、零件復(fù)雜程度、材料性能等關(guān)鍵因素的變化而明顯增加，而這也導(dǎo)致自由鍛生產(chǎn)過程中材料利用率低、產(chǎn)品合格率低或者產(chǎn)品質(zhì)量大幅波動等問題長期難以得到解決。采用數(shù)值模擬分析方法對自由鍛關(guān)鍵火次進行有限元分析[2-4]，對可能出現(xiàn)的鍛件缺陷、鍛件成形尺寸、內(nèi)部組織變化等進行預(yù)測，最終得到最優(yōu)的鍛造工藝方法，是目前減少大型零件自由鍛生產(chǎn)過程中不確定性的主要方法。

本文通過分析長軸類T形鍛件自由鍛成形過程[5]，主要解決長軸類T形鍛件自由鍛過程中以下關(guān)鍵問題：確定坯料壓扁方尺寸；確定現(xiàn)有工藝的可行性以及模具結(jié)構(gòu)的合理性；預(yù)測自由鍛過程中可能出現(xiàn)的缺陷并提出解決方案；對工藝參數(shù)的確定提出合理化意見，最終達到鍛件設(shè)計要求。

1 問題描述

圖1 T形截面鍛件示意圖

圖2 有限元模型

T形截面鍛件示意圖如圖1所示。鍛件為長軸類T字形結(jié)構(gòu)，總高580 mm，寬1240 mm，長約5000 mm。其中T形下部尺寸890 mm×410 mm，上部1240 mm×170 mm，凹坑深150 mm。計劃采用83 t鋼錠生產(chǎn)，一錠兩件。主要自由鍛生產(chǎn)工藝過程為：壓鉗口、倒棱、錯底→鐓粗、WHF拔長、壓扁方氣割下料→采用上平砧、專用下模成形→采用上凸形砧、專用下模成形→修整。有限元模型如圖2所示。鍛件壓扁方后截面尺寸890 mm×800 mm×1850 mm。上下模具寬度均暫定為850 mm。

2 成形過程數(shù)值模擬分析

2.1 原始成形方案分析

圖3為成形過程中鍛件截面的變化過程?？梢园l(fā)現(xiàn)鍛件兩側(cè)凸耳并未被充滿，成形效果不好。在上平砧向下移動的過程中，金屬并沒有向鍛件兩側(cè)凸耳區(qū)域流動，而是沿著鍛件的軸向流向模具外(見圖4)，成形過程類似拔長。

圖3 原始方案成形過程

圖4 成形過程中金屬流動

2.2 優(yōu)化成形方案分析

根據(jù)最小阻力原則，金屬材料將優(yōu)先向流動阻力較小的區(qū)域流動，因此增加金屬沿鍛件軸向流動的阻力將有可能改善鍛件兩側(cè)凸耳的填充性能。根據(jù)以上分析，在上模長度850 mm不變的情況下，將下模長度由850 mm增加到1850 mm，從而增大毛坯金屬與下模之間的摩擦阻力。增加下模長度后得到的金屬流動情況如圖5所示。采用增加長度后的下模后，大大提高了鍛件兩側(cè)凸耳充滿的填充情況，成形效果較好，凸耳基本充滿。

圖5 優(yōu)化方案成形過程

通過模擬可以發(fā)現(xiàn)，在成形過程中，鍛件中間部分區(qū)域凸耳填充效果好，而兩側(cè)填充效果不理想(見圖6)，這是由于鍛件端部金屬軸向流動阻力較小的緣故。在模擬的結(jié)果中，鍛件中段長度約1100 mm區(qū)域凸耳填充效果好，而兩側(cè)分別有600 mm和650 mm區(qū)域凸耳填充效果不理想。此外，鍛件在長度方向增大了約500 mm。由于鍛件端部約束較少，很難將模具兩側(cè)凸耳填充滿，兩個端部均會出現(xiàn)500 mm左右的廢料區(qū)，因此在鍛件工藝設(shè)計時應(yīng)考慮到這點。

圖6 優(yōu)化后成形效果

4.3 平砧下壓過程分析

在第1階段平砧下壓時，由于下壓總高度為220 mm，為減少表面折疊，分兩次下壓，第1次下壓120 mm，第2次下壓100 mm。模擬發(fā)現(xiàn)，在第1次下壓后，由于鍛件上下兩部分變形不一致，鍛件頭部出現(xiàn)下垂(見圖7)。在實際生產(chǎn)中，鍛件長度5280 mm，在重力的作用下，頭部下垂會更加嚴重，因此應(yīng)考慮這是否會對鍛造過程產(chǎn)生不良的影響。

圖7 平砧第1次下壓后鍛件變形情況

圖8 平砧第2次下壓后鍛件變形情況

在第2次下壓后，除頭部外，鍛件大部分兩側(cè)凸耳均可充滿(見圖8)。由于模擬為最理想情況，未考慮氧化皮、鍛件尺寸誤差等因素，因此在模具設(shè)計過程中應(yīng)將模具兩側(cè)凸耳寬度適當放大。在錯砧量為200 mm的情況下，最后1次下壓出現(xiàn)金屬折疊，這是由于上短下長的模具結(jié)構(gòu)導(dǎo)致金屬沿鍛件軸向流動困難，導(dǎo)致相鄰金屬會翹起，下壓過程中金屬流動少。

通過模擬分析，提出以下建議：

(1)初次鍛造時，鍛件高度為800 mm左右。

(2)模具兩側(cè)凸耳寬度應(yīng)適當放大，以便容納多余金屬、氧化皮及端部開裂金屬(低溫，大變形)。

(3)在鍛造溫度容許的情況下，增大錯砧量，減小進砧量。

3 結(jié)論

通過對長軸類T形截面大鍛件自由鍛的工藝模擬分析，得到以下結(jié)論：

(1)采用矩形上平砧、專用下模成形以及上凸形砧、專用下模成形方式能夠?qū)崿F(xiàn)長軸類T形截面大鍛件的成形。

(2)增大下模長度，增大金屬流動過程中與下模之間的摩擦阻力有助于提高鍛件兩側(cè)凸耳充滿的填充效果。

(3)模擬發(fā)現(xiàn)，在成形過程中，鍛件中間部分區(qū)域凸耳填充效果好，而兩側(cè)填充效果不理想，分別有600 mm和650 mm區(qū)域凸耳未充滿區(qū)域，因此在鍛件工藝設(shè)計時應(yīng)考慮到這點。

[1] 門正興，孫嫘，馬亞鑫，等. 大型筒體鍛件軋制技術(shù)研究進展[J]. 大型鑄鍛件，2016(5)：7-9.

[2] 門正興，房鑫. 數(shù)值模擬技術(shù)在大型自由鍛件生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 大型鑄鍛件，2014(5)：7-10.

[3] 張效迅. 大鍛件鍛造成形過程中內(nèi)部空洞型缺陷演化規(guī)律的研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2009.

[4] 陳新倬，門正興，趙欣，等. 軋輥循環(huán)利用技術(shù)發(fā)展[J]. 大型鑄件，2015(2)：20-22.

[5] 門正興，孟相利，曾明，等. T形大鍛件自由鍛成形過程有限元分析[J]. 大型鑄件，2015(2)：9-11.

編輯 杜青泉

Analysis of Free Die Forging Process of Long Shaft Forgings with T-shape Section

Chen Xinzhuo，Men Zhengxing

The finite element analysis is performed on free forging process of long shaft forgings with T-shape section. The forming moulds are optimized and the possible defects in forming process are predicted and analyzed too. According to the simulation results, increasing the length of the lower mould can significant increases the axial flowing frictional resistance of metal in the forming process, thus improving the filling effect of the lugs of two sides of forging.

T-shape section; heavy forging; finite element analysis

2017—01—28

TG316

B