（材料加工工程专业论文）大型环件制坯工艺的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 重型机械、发电设备、石油化工、船舶制造等行业中一些关键零部件是由 大型环件构成。大型环件生产中毛坯的好坏对后续的轧制成形有着决定性的作 用，大型环件的毛坯是由铸锭制坯而成，由于铸锭内部冷却与凝固过程不均匀， 导致其化学成分、组织状态分布极不均匀及缩孔、疏松、偏析和夹杂物等缺陷， 必须通过锻造工艺改善其缺陷，传统的制坯工艺容易出现变形不均匀、外观质 量差等缺陷，导致最终的大型环件报废。 本文基于有限元软件对大型4 2 c r m o 铸锭的镦粗成形工艺和3 0 4 l 不锈钢的 锻棒工艺进行了研究，研究结果为大型环件的制坯工艺提供指导。 对于大型4 2 c r m o 铸锭的镦粗成形工艺：建立两步镦粗成形工艺和三步镦 粗成形工艺的热力耦合模型。通过模拟仿真，揭示了锥形结构砧参数( l 值、锥 角) 对镦粗后毛坯的变形情况、鼓形系数的影响规律，研究了两步法镦粗成形工 艺和三步法镦粗成形工艺过程中毛坯的等效应变分布规律、金属流动规律、应 力值规律、成形载荷的变化规律，与平砧镦粗成形工艺进行对比，发现采用锥 形结构砧的镦粗工艺能够使镦粗后毛坯变形更加均匀，外形质量更好，内部应 力状态更好。 对于3 0 4 l 不锈钢的锻棒工艺：针对实际过程中大型3 0 4 l 不锈钢环件出现 的粗晶问题进行分析，提出增加锻棒工艺来改善铸锭的性能。通过有限元软件 模拟了锻棒工艺，根据模拟的结果，制定出锻棒工艺的具体步骤，通过实际轧 制生产，最终解决了大型3 0 4 l 不锈钢环件粗晶问题。 关键字：大型环件；镦粗成形：锻棒工艺；成形规律；锥形结构砧参数 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o m ek e yc o m p o n e n t so fh e a v ym a c h i n e r y , p o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n t , p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , s h i p b u i l d i n ga n do t h e ri n d u s t r i e sa r ec o n s t i t u t e do fl a r g e r i n g s i nt h ep r o d u c t i o no fl a r g er i n g sb l a n k sh a sad e c i s i v er o l ei nt h es u b s e q u e n t r o l l i n g ，a n db l a n k so fl a r g et i n g sa r em a d eb yi n g o t s d e f e c t ss u c ha su n e v e nc h e m i c a l c o m p o s i t i o n , o r g a n i z a t i o na n dt e x t u r ed i s t r i b u t i o n , s h r i n k a g e ，p o r o s i t y , s e g r e g a t i o n a n di n c l u s i o n s ，b e c a u s eo fu n e v e ni n t e r n a lc o o l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ，u s u a l l y e x i s ti nl a r g ei n g o t s t h ei n g o t ss h o u l db ed e f o r m e dt oc o n s t r a i nt h o s ed e f e c t s t h e t r a d i t i o n a lp r c f o r m i n gp r o c e s sa r e p r o n et ou n e v e nd e f o r m a t i o n ，p o o ra p p e a r a n c ea n d o t h e rd e f e c t s , w h i c hm a yl e a dt ol a r g er i n g ss c r a p p e d i nt h i sp a p e r , u p s e r i n gp r o c e s so fl a r g e4 2 c r m oi n g o ta n du p s e r i n ga n d s t r e t c h i n gp r o c e s so f3 0 4 ls t a i n l e s ss t e e lh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db a s e do nf i n i t e e l e m e n ts o r w a r e ，w h i c hp r o v i d eg u i d a n c ef o rp r e f o r m i n gp r o c e s so fl a r g er i n g s f o ru p s e t t i n gp r o c e s so fl a r g e4 2 c r m oi n g o t s ：t h e r m a l - m e c h a n i c a lc o u p l i n g m o d e lo ft w o - s t a g eu p s e t t i n gp r o c e s s e sa n dt h r e e - s t a g eu p s e t t i n gp r o c e s s e sa r e e s t a b l i s h e d b ys i m u l a t i o nt h ee f f e c to f c o n i c a ls t r u c t u r ea n v i lp a r a m e t e r s ( l ，t h ec o n e a n o e ) a n dd e f o r m a t i o n , d r u mc o e f f i c i e n ta 他r e v e a l e d f u r t h e r m o r e ，t h e l a wo f e q u i v a l e n ts t r a i nd i s t r i b u t i o n , m e t a lf l o w , s t r e s sa n dl o a da r ei n v e s t i g a t e d c o m p a r e d w i t l lt h ef l a ta n v i lu p s e t t i n gp r o c e s s ，i ti sf o u n dt h a tu p s e t t i n gp r o c e s sw i t l lc o n i c a l s t r u c t u r ea n v i lc a nm a k eb l a n km o r eu n i f o md e f o r m a t i o n , s m a l l e rd r u mc o e 伍c i e n t a n db e t t e ri n t e r n a ls t r e s ss t a t e f o ru p s e t t i n ga n ds t r e t c h i n gp r o c e s so f3 0 4 ls t a i n l e s ss t e e l ：t h r o u g ht h e a n a l y s i so fc a ) a s o - g r a i ni nt h e3 0 4 ls t a i n l e s ss t e e lr i n g ，u p s e t t i n ga n ds t r e t c h i n g p r o c e s so f3 0 4 ls t a i n l e s s s t e e li sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e i n g o t t h ep r o c e s si ss i m u l a t e db yf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e ，a n da c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss p e c i f i cs t e p si sw o r k e do u t f i n a l l y , r o l l i n gp r o d u c t i o ni sc a r r i e d o u tt oo b t a i nf i n e - g r a i nr i n g k e y w o r d s ：l a r g er i n g ；u p s e t t i n gp r o c e s s ；u p s e t t i n ga n ds t r e t c h i n gp r o c e s s ； d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ；c o n i c a ls t r u c t u r ea n v i lp a r a m e t e r s 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 通过金属塑性成形工艺获得的工件产品性能好、几何精度较高，同时材料 利用率高、生产效率高、对环境污染小。其中，锻造工艺作为金属塑性成形工 艺的重要工艺之一，在整个工矿、交通等各行业生产中有着举足轻重的地位， 如汽车、农用车、矿山机械、动力机械、航空航天、舰船与兵器等。特别是曲 轴、连杆、涡轮盘、叶片、叶轮、转子、阀体、管接头、护环、齿轮、轴承套 等承受较大载荷、冲击载荷、温度变化异常、高压的关键零部件的毛坯或成品， 都是采用锻造工艺获得的。 一般情况下，大锻件是指使用1 0 0 0 t 以上的锻造液压机通过自由锻工艺获 得的锻件，其中大锻件所需的毛坯为铸造而成的钢锭。大锻件多作为机械、能 源、化工、国防等工业重大准备的关键零部件或者基础件，所以国家的工业发 展水平和国防实力很大程度上取决于大锻件的制造水平、科技含量、经济技术 指标【1 1 。 大锻件在实际生产过程中具有以下特点1 2 j ： ( 1 ) 技术标准要求高重大装备上的关键零部件和基础件多是由大锻件组 成，这些零部件和基础件在一些恶劣的工矿环境下，其所受到的载荷复杂，为 了保证重大装备的使用安全可靠和寿命，必须确保大锻件在质量、性能等技术 标准方面达到严格的要求。尤其是近些年随着科学技术的进步和行业的需求， 重大装备逐渐向着大型化、高性能化、高参数化发展，这对于大型锻件的生产 技术要求更为严格，除了确保能够生产出大尺寸的锻件外，更需要确保锻件制 造过程中的材料领用率和锻件的性能、质量的要求。 ( 2 ) 制造工艺复杂且难度大大锻件的生产形式多为单件或小批量，经常会 根据客户的需求变换品种，但其生产工艺仍然包括冶炼、铸锭、加热、锻压、 粗加工、热处理、质量检查等众多生产环节，这些环节周期很长，各个环节相 互影响，各个生产工艺复杂，因此，必须通过科学严格制定生产工艺过程，合 理高效的配合，注重各个环节的细节，才能完成大型锻件的整个制造工艺。另 外，大型锻件尺寸巨大，锻造过程复杂，很难进行有效地实验研究。 武汉理工火学硕士学位论文 ( 3 ) 生产成本高、环境危害大大型锻件的生产不仅消耗较多的原材料和 能源，而且涉及到众多生产环节，生产周期长，所需的大型设备和劳动力消耗 大，从而提高了生产成本，造成严重的环境危害。如何降低生产成本、减小环 境危害，对于大型锻件的生产有着重要的意义。 大型锻件多是由钢锭采取制坯锻造而成，大型钢锭在冶炼过程中，由于尺 寸较大，钢锭外层、内层、心部、上部的冷凝结晶的热力学和动力学条件存在 差异，使得钢锭内部存在偏析、非金属杂质、疏松和缩孔等缺陷，这些缺陷往 往导致后续锻造过程中锻件出现裂纹、粗晶等质量问题，严重时导致锻件报废， 因此要获得高性能、高质量的锻件，必须采用制定合理的锻造工艺，严格控制 锻造过程，才能消除内部缺陷。 近年来，随着物理模拟技术、锻造方法、有限元数值模拟技术的发展，同 时结合热力学、微观组织学等学科，已经能够动态演示金属的塑性变形过程， 提供变形过程中的场量信息，也能够模拟微观组织的演变等。采用有限元模拟 技术对锻造制坯工艺进行模拟，能够减小锻件的研发周期，同时能够为实际锻 造制坯工艺提供可靠地技术支持和理论指导。 1 2 制坯的自由锻工艺概述 大型环件的生产流程通常包括以下几个步骤：锯床下料铸锭加热一液压机 制坯一再加热一径轴向轧制一热处理一机加工一检测一成品，各个环节相辅相 成。尤其是性能较差、外形尺寸不好的毛坯对于后续的环件轧制影响非常大， 导致轧制无法正常进行。大型环件的毛坯的生产，通常是采用液压机自由锻制 而成【3 1 。 自由锻通常是使用简单通用的工具( 如平砧、型砧) 使坯料或者铸锭发生塑 性变形，从而得到所需的形状尺寸和良好组织性能锻件的塑性加工方法。对于 铸锭而言，锻造的作用主要是【4 l ：( 1 ) 获得较好的外形尺寸通过锻造，使得 铸锭获得接近零件的形状。( 2 ) 获得较好的内部质量使原有的铸态组织变成 锻造组织，破碎粗晶，再结晶成细晶，愈合内部缺陷。 自由锻基本工序有镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转等。下面分别对自由锻 的主要工序镦粗和拔长的特点和方式进行介绍。 2 武汉理ji ：人学硕十学位论文 1 2 1 镦粗工序 镦粗是使坯料高度减小，横截面积增大的锻造工序。其作为自由锻的基本 工序之一，同时也是绝大多数大型环件制坯过程中不可或缺的工序，是后续生 产的| j 提。它可以破碎钢锭原有的铸态组织、细化晶粒，反复镦拔能使钢锭中 的碳化物均匀分布。 1 2 1 1 平砧镦粗 高径比h d = 1 0 2 0 的圆柱体坯料在平砧间镦粗时，随着压下量的增加，金 属逐渐向侧表面流动，镦粗完成后毛坯外部呈现单鼓形( 中间直径大，两端直径 小) ，用计算机数值模拟显示坯料平砧镦粗后其内部应变分布和损伤分布如图 1 1 所示。从图可以看出镦粗过程中各区域的变形不均匀，损伤最容易出现于侧 表面的鼓形处。根据变形情况，将毛坯内部区域分成三个变形区1 5 j 。 篡_ ：翔 o 9 7 一 ( a ) 等效应变( b ) 损伤 图1 1平砧镦粗等效应变分布和损伤分布 第一个区域一般称为难变形区，位于坯料上下端面和平砧接触的区域；第 二个区域一般称为大变形区，位于坯料内部中心区域：第三个区域为小变形区， 位于坯料外自由变形的区域。坯料不加热时镦粗产生变形不均匀的主要原因是 平砧砧面与坯料上、下端面之间接触存在摩擦的影响，通常对于大型环件制坯 工艺来说，铸锭都是采用热镦粗，除了平砧砧面与铸锭上、下端面之间产生接 触摩擦外，温度分布不均匀也是影响应变分布的一个重要因素，铸锭上、下端 面与砧面接触发生热传导，使得铸锭上、下端面处材料的温度降低较快，变形 抗力大，金属发生塑性变形较为困难，因此难变形区的金属受到的摩擦影响大， 温度较低，变形程度最小，从而铸锭这块区域铸态组织不易破碎，难以发生再 结晶，从而容易保留粗大的铸态结构。大变形区处于毛坯内部受到的摩擦影响 小，温度降低慢，变形程度大，铸态组织容易破碎，同时易发生再结晶，有利 于晶粒的细化，同时毛坯内部处于三向压应力状态利于铸锭内部孔隙的压合， 武汉理工大学硕士学位论文 从而形成明显的锻态组织，提高了锻件的性能。小变形区变形程度介于大变形 区和难变形区之间，大变形区金属的向外塑性流动作用到小变形区的金属，使 其受到切向拉应力，鼓度越大的地方，受到的切向拉应力就越大，当其超过了 材料允许的强度极限值时，毛坯表面可能会产生纵向裂纹等缺陷。 高径比i - t d 2 5 3 的坯料在镦粗时，容易在毛坯两端侧表面处出现双鼓形， 当砧面不平整，坯料倾斜，坯料原有的性能不均匀等情况时，会产生失稳而发 生纵弯曲 6 4 1 。 1 2 1 2 镦粗缺陷 大型铸锭在镦粗制坯工艺中常有的缺陷：( 1 ) 难变形区变形程度小，温度降 低快，导致此区域不易发生再结晶行为，晶粒无法细化，易残留铸锭原有的铸 态缺陷，如疏松、偏析、缩孔、夹杂物、质点和杂质等，以上缺陷尤其是夹杂 物或杂质、质点通常位于晶界处，在铸锭锻造过程中，当对铸锭施加的外载荷 增大到一定程度时，在带有夹杂物等缺陷的晶界处，位错塞积或缺陷本身的分 裂扩大使其形成微观孔洞，这是大型铸锭锻造成形过程中普遍存在的微观组织 变化。( 2 ) 大变形区变形不均匀，镦粗过程中易产生拉应力，可能使其出现内部 新裂纹。( 3 ) 坯料外表面易出现裂纹，导致锻件报废，主要是因为坯料上、下端 面和平砧接触存在摩擦，侧表面容易产生鼓形，鼓形处的应力状态为切向拉应 力，当拉应力值超过材料自身的强度极限值时，就容易产生纵向裂纹 g j 。 1 2 2 拔长工序 拔长是使坯料长度增加，横截面减少的锻造工序。拔长的成形特点毛坯沿 轴向逐次送进拔长，同时受两端不变形金属的影响，相当于连续进行的局部镦 粗工序。 影响拔长效果和生产率的主要参数有砧型、摩擦润滑状况、加热后坯料的 温度场、坯料及砧面的相关尺寸。拔长过程中常用的砧型种类主要有上下平砧、 上平砧下v 型砧、上下v 型砧、上下圆弧砧等。 上下平砧拔长圆截面坯料时，由于工件与平砧接触面小，金属横向流动大， 轴向流动小，降低了拔长效率，并且由于变形集中于与平砧接触的上下端面， 容易在心部产生拉应力，生成中心裂纹。所以必须采用合理的拔长工序：应把 4 武汉理工大学硕士学位论文 圆截面坯料先拔长成方形截面，在方形的截面下继续拔长，到接近要求的直径 时，再倒棱，滚圆，如图1 2 所示。 图1 2 平砧拔长圆截面坯料过程的示意图 上下v 形砧拔长时，坯料的变形程度最大，拔长过程中处于强烈的三向压 应力状态，内部应力状态较好，毛坯轴线不会偏移，但需要经常更换砧子，影 响了拔长的效率。 上平下v 形砧拔长时，坯料上下变形程度不一致，使得最大变形区不在坯 料的中心( 在距中心1 2 3 4 半径处) ，内部应力状态不好，后续不断翻转拔长后 使得中心线偏移。 1 3 制坯工艺的研究进展 随着数值模拟技术广泛的应用于锻造成形中，急需通过数值模拟详细的揭 示制坯过程中毛坯的应力应变分布、微观组织变化、温度变化等规律，为制坯 工艺的制定提供科学依据。因此，国内的相关学者已经开始针对制坯工艺进行 相关的理论研究、有限元模拟和实验研究。 刘助柏d o q 2 】等从塑性力学的基本理论出发，把镦粗的变形区分为主动塑性 变形区和被动塑性变形区，提出了圆柱体镦粗时刚塑性力学模型的拉应力理论， 该理论认为：对于高径比h d 1 的圆柱体，在镦粗过程中，其中心区域( 刚性 区除外) 存在着径向和切向拉应力。h a s h m i 1 3 】分析了摩擦系数在平砧镦粗工艺中 对应变的分布影响。z h a n g 1 4 j 分析了钢坯不同区域温度、应力、应变的情况。 r a g a b 【1 5 l 对圆柱形坯料镦断裂极限曲线进行了预测。刘助柏【1 6 l 和张庆1 1 7 】提出圆 柱体坯料平砧镦粗时刚塑性力学模型的拉应力理论，采用光塑性模拟技术模拟 了热锻件塑性变形过程，同时利用有限元软件模拟了高径比h d = 2 的圆柱体在 平砧间镦粗的工艺，给出了应力场的变化情况，发现镦粗后毛坯内部应变状态 5 武汉理工大学硕士学位论文 会出现两向拉应力一向压应力。 汪程鹏1 1 酊、李钭1 们、孙前江【刎等对平砧镦粗、套环内镦粗、侧凹形坯料镦 粗、软金属垫镦粗、坯料凹形端面镦粗、坯料叠起镦粗等进行了数值模拟，发 现套环内镦粗工艺、坯料凹形端面镦粗工艺能够在一定程度上减小鼓形产生的 趋势，尤其是坯料凹形端面镦粗工艺的减小的作用更为明显，同时很大程度上 使镦粗后毛坯的变形更为均匀。 蔡军【2 1 l 等利用有限元软件模拟了粉末高温合金盘类毛坯的两次镦粗成形工 艺过程，并且模拟了球形砧的不同圆弧半径情况下的镦粗工艺过程，得出了不 同球形砧圆弧半径对镦粗后毛坯的外形尺寸的影响规律，同时分析了变形规律 和等效应变速率的变化规律。李锦【1 9 】等针对平砧镦粗易形成鼓形，变形不均匀 等问题，提出了一种先压凹端面再平砧镦粗二次成形工艺措施，因为圆弧模具 与坯料的上下端面接触面积相对于平砧较小，故模具对于坯料两端的金属摩擦 作用下，使得镦粗后毛坯产生的鼓形减小。 钟诚道 2 2 2 3 1 等提出了一种自由锻高径比超极限镦粗方法，采用上下内凹的 形砧对高径比大于3 的铝合金铸锭进行镦粗制坯工艺，经过后续的环件轧制， 最终能够获得的铝合金环件性能高、残余应力小。 王勇 2 4 , 2 5 1 等通过对球形砧镦粗进行有限元数值模拟，分析了不同半径球形 砧对毛坯内部应力分布的情况以及压下量对镦粗过程中毛坯的变形情况和径 向、切向应力分布的影响。张效迅瞄j 等提出采用台阶式的球形砧的镦粗方法对 大型锻件进行镦粗，能够消除砧下的缺陷区，从而改善了锻件的内部质量和力 学性能。 王华昌【2 7 , 2 8 1 等将轴向加载、径向旋转的扭压复合成形用于坯料的镦粗，这 种成形方式将阻碍材料流动的摩擦力转变为带动材料塑性流动的动力，通过对 扭转复合加载成形工艺进行数值模拟，分析了摩擦条件和转动速度对载荷和镦 粗后的应变分布、鼓形系数的影响。 刘新宇【2 9 l 通过有限元模拟软件m s c s u p e r f o r g e 对锥形板镦粗工艺进行了 仿真模拟，通过模拟得到了锥形板镦粗过程中毛坯的变形规律，后续通过物理 实验对上述变形规律进行验证，为实际制定工艺提供了参考依据。邓冬梅【3 0 】、 刘助柏、王连东 3 1 】等提出了一种镦粗新工艺即采用锥形板，建立锥形板镦粗的 力学模型进行分析，同时对锥形板镦粗圆柱体的工艺过程进行了数值模拟，发 现新工艺能够使毛坯的内部的应力处于三向压应力状态，有利于毛坯内部质量 和性能的改善，抑制了内部裂纹等缺陷的产生，从而获得鼓形小、变形均匀的 6 武汉理工大学硕士学位论文 高性能锻件。李琼 3 2 , 3 3 l 等利用主应力法对平板镦粗工艺和锥形板镦粗工艺进行 比较，从理论研究方面发现锥形板镦粗工艺有利于内部缺陷的愈合，能够很大 程度上减少裂纹产生的趋势，其力学原理在于锥形板镦粗工艺改变了坯料不同 区域的变形过程，从而增大了坯料内部受到的静水压力，使材料的塑性得到增 强。 综合分析国内外有关大型锻件制坯工艺的研究现状可知：国内外的研究多 对平砧间镦粗的工艺参数进行了研究，得出相关的规律，有些通过提出一些简 化理论，分析平砧镦粗的情况下应力应变的分布。还有一些学者对于传统的套 环内镦粗、毛坯凹形端面镦粗、软金属垫镦粗及坯料叠起镦粗工艺进行了研究； 还有些提出了先压凹端面再平板镦粗和利用上、下内凹砧完成镦粗的工艺，这 些工艺能够减小鼓形、一定程度上改善应力应变的分布情况；还有些提出利用 锥形板有利于毛坯内部应力状态的改善，使其处于三向压应力状态，从而改善 锻件内部金属的质量与性能，然而这些多是针对于小坯料和小模型的研究，并 没有给出整体制坯工艺过程中应力应变变化规律，也没有定量的给出内部变形 均匀、外形尺寸的评判标准。 制坯工艺已经成为提高铸锭性能的有效手段，高质量、高性能的毛坯成为 后续的锻造工艺的前提，因此，在合适的压力机吨位情况下，研究大坯料和大 模型的制坯工艺对于今后的生产研究有着重大的意义。 1 4 课题的来源、目的、意义和主要内容 1 4 1 课题的来源 国家自然科学基金项目“大型环件径轴向联合轧制成形机理研究 ( 编号： 5 0 7 0 5 0 7 1 ) 1 4 2 课题的研究目的和意义 利用有限元模拟技术研究大型4 2 c r m o 铸锭的镦粗成形工艺和3 0 4 l 不锈钢 的锻棒工艺，研究两步法镦粗成形工艺和三步法镦粗成形工艺中锥形结构砧的 参数( l 值、锥角) 对变形均匀程度和外形质量的影响规律，详细地揭示镦粗成形 过程中毛坯的等效应变分布、金属流动速度分布、应力分布、成形载荷等规律； 针对3 0 4 l 不锈钢环件出现的粗晶问题，提出锻棒工艺，通过模拟制定具体的锻 7 武汉理工大学硕士学位论文 棒步骤，结合实验验证锻棒工艺的可行性，从而为大型环件的制坯工艺提供科 学依据。 1 4 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 利用有限元软件对两步法镦粗成形工艺和三步法镦粗成形工艺进行数 值模拟，得出不同高径比坯料下，不同锥形结构砧参数( l 值、锥角) 对毛坯变形 和外形的影响，通过等效应变值的平均值和标准偏差值来评价镦粗后毛坯的变 形均匀性，通过鼓形系数来衡量坯料的外形尺寸。比较两步法、三步法镦粗成 形工艺和平砧镦粗工艺的模拟结果。 ( 2 ) 基于两步法镦粗成形工艺和三步法镦粗成形工艺的有限元模型，探究镦 粗成形过程中毛坯的等效应变分布规律、金属流动规律、应力场规律、成形载 荷规律。 ( 3 ) 针对3 0 4 l 大型环件出现的粗晶问题，增加了锻棒工艺，利用有限元软 件对3 0 4 l 不锈钢锻棒成形工艺模拟，揭示锻棒过程中应变、温度演变规律，为 制定具体的锻棒工艺提供可靠的数据，通过实验验证锻棒工艺的合理性。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章大型4 2 c r m o 铸锭镦粗工艺的研究 2 1 引言 由前一章的内容，可以得n - 当坯料的高径比f i d l 时，在平砧间镦粗 完成后的毛坯内部不同区域的金属变形不均匀，大变形区发生了较大的塑性变 形，难变形区基本上不发生变形，使得难变形区保留了铸锭原有的铸态组织， 同时由于坯料的上、下端面和平砧接触，在接触面处存在摩擦阻碍，使其毛坯 的侧表面产生鼓形，当鼓形过大时，易导致毛坯开裂报废。针对以上变形不均 匀和鼓形过大的缺陷，采用逆向思维的方式，使用锥形结构砧使上、下端面处 的难变形区先发生变形，获得变形更为均匀、外形质量更好的毛坯。 本章针对大型环件的制坯工艺，采用使用锥形结构砧的两步法镦粗成形工 艺和三步法镦粗成形工艺来改善坯料镦粗时容易产生的缺陷。本章通过模拟两 步法镦粗成形工艺和三步法镦粗成形工艺的成形过程，研究了锥形结构砧参数 ( l 值、锥角) 对变形和外形尺寸的影响规律，揭示了镦粗后毛坯的等效应变场的 分布规律、金属流动规律、应力场规律、成形载荷规律，研究了两步法和三步 法镦粗成形工艺的金属流动规律，揭示了型砧结构对镦粗后毛坯的应变分布和 外形尺寸的影响规律，得出一些定量的结论，为实际制坯工艺提供理论指导。 2 2 大型铸锭镦粗工艺主要思路 两步法镦粗成形工艺是第一步采用上、下对称的锥形结构砧进行首次镦粗 至毛坯贴模状态，第二步更换为上、下平砧完成坯料的镦粗工艺，其工艺思路 图如图2 1 所示。两步法镦粗成形工艺过程中采用的锥形结构砧如图2 2 所示。 具体工艺步骤为：先将上、下锥形结构砧定位，确保上、下锥形结构砧中 心线重合；将加热的高温坯料定位于下锥形结构砧上，调整位置确保坯料中心 线与上、下锥形结构砧中心线重合；调整完毕后，液压机带动上锥形结构砧下 移缓慢作用于铸锭，使得上、下端面处的金属逐渐贴模，贴模后更换为上、下 平砧完成镦粗过程。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 两步法镦粗成形工艺的示意图 i l 一 图2 - 2 两步法镦粗成形工艺的型砧结构图 三步法镦粗成形工艺是先采用上锥形砧、下平砧进行第一步镦粗，镦粗至 上锥形砧贴模，然后倒转坯料采用上锥形砧、下锥形砧进行第二步镦粗，镦粗 至上锥形砧贴模，最后更换平砧完成坯料的镦粗工艺，如图2 - 3 所示 3 4 1 。 重臣酉n 夏置 图2 3 三步法镦粗成形工艺的示意图 2 3 大型铸锭镦粗工艺建模和评定指标 2 3 1 建立有限元模型 2 3 1 1 网格划分 网格划分是进行有限元建模的前提，通过网格划分，可以将连续的问题转 化为离散的节点和单元来处理。合理进行网格划分，才能保证计算结果的高效 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 性和准确性。当划分的网格数量较少时，能够较快完成模拟，但由于节点和单 元信息较少，导致模拟结果不准确；当划分的网格数量较多时，节点和单元信 息较多，能够较为准确地反映模拟过程，但较多网格的计算会导致模拟的效率 较低。大型环件制坯工艺过程中坯料的变形量较大，划分的网格变化也随之增 大，当变形程度大到一定程度时，网格单元发生畸变，可能会导致迭代计算不 能收敛而无法完成模拟，此时要对网格进行再划分处理。过于频繁的网格再划 分，可能导致旧网格的数据传向新网格过程中产生误差，影响到最终的计算精 度【3 5 1 。 2 3 1 2 摩擦条件 在金属塑性成形过程中，摩擦阻力存在于变形体与模具接触表面，阻碍材 料的流动，其值大小与接触表面处的力学条件、摩擦表面状态等有关，因而摩 擦边界条件是金属塑性变形过程中的一个关键问题。采用有效的手段处理好摩 擦边界条件、选择合理的摩擦模型对于有限元模拟结构的准备性有着重要的影 响。 由于大型环件制坯工艺中，坯料的塑性变形较大，因此，在数值模拟中用 常剪切摩擦模型来表述坯料与砧子问的摩擦条件，其表达式如下所示： f = = m k 式中卜摩擦应力； 卜剪切屈服应力( m p a ) ： m 摩擦因子( 0 m 1 ) 。 2 3 1 3 建模结果 大型环件的制坯过程中是在多因素耦合作用下的变形过程，通常情况下大 型环件的毛坯是由钢锭锻造而成，一般钢锭类型为梅花锭，在进行镦粗制坯前 通过倒棱、滚圆消除棱角，使其变成圆柱坯料，后进行制坯工艺。实际过程中， 因为钢锭尺寸较大，无法进行有效地实验，必须有限元模拟来获取相关的变形 规律，在有限元模拟过程中，为了提高计算效率，会对有限元模型进行一些简 化。根据圆柱坯料的对称性，取圆柱坯料的截面的1 2 进行有限元建模：根据 坯料的几何尺寸( 表2 1 ) ，采用a u t o c a d 进行坯料和上、下砧的几何建模，保 存为d x f 文件，然后分别将坯料和上、下砧的d x f 文件导入d e f o r m 一2 d 中 进行装配，加载材料、设置边界条件、接触条件等参数( 表2 2 ) ，从而完成有限 武汉理一i 人学硕十学位论文 元模型建模，如图2 4 、2 5 所示。由于大型环件制坯过程中坯料的变形较大， 在建模过程中，忽略发生较小变形的弹性变形，设置上、下砧为刚性体，坯料 为塑性体。 表2 - 1 坯料的几何参数( 单位：m r l 1 ) 坯料材料 砧子材料 坯料初始锻造温度( ) 砧子温度c c ) 环境温度( ) 热传递系数o , , t s - - - c ) 热对流系数( n s o 瑚j c ) 摩擦系数 4 2 c r m o ( a i s i - 4 14 0 ) h 1 3 1 1 5 0 2 0 2 0 o 3 o 0 2 o 3 图2 4 两步法镦粗成形工艺的有限元模型 1 2 武汉理f ：人学硕+ 学位论文 图2 5 三步法镦粗成形工艺的有限元模型 2 3 2 镦粗结果的评定指标 2 3 2 1 变形均匀性的评定标准 镦粗后毛坯的应变分布的均匀程度对后续的环件轧制有着重要影响，因此 本文通过镦粗后毛坯的等效应变平均值a v e m g e ( a ) 和标准偏差s t d e v p ( 8 ) 来有效 的衡量变形不均匀性。其中等效应变平均值和等效应变标准偏差定义分别如下： 占 a = 生! 船 6 = 式中a 等效应变平均值； d 等效应变标准差； 占节点单位等效应变值； r 节点单元数。 2 3 2 2 外形尺寸的评定标准 镦粗后毛坯的外形尺寸对于后续环件轧制的装配、金属流动等有着重要的 影响，合理的毛坯外形尺寸是轧制进行的前提。制坯的镦粗过程中由于上、下 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 砧与坯料端部接触产生摩擦，以及坯料各部位温度分布不一样，使得坯料在侧 表面产生周向附加拉应力，从而产生鼓形，如果鼓形系数过大，会导致毛坯开 裂报废，因此本文通过鼓形系数来有效的衡量毛坯的外形尺寸。其中鼓形系数 q ( 图2 - 6 ) 的表达式如下： 图2 - 6 鼓形系数示意图 q ；叠盘垒坦 。h 2 式中q 一鼓形系数； r m 甑一_ 镦粗后毛坯的最大半径尺寸； r l 镦粗后毛坯的上端面半径尺寸； 1 2 镦粗后毛坯的下端面半径尺寸： h 镦粗后毛坯的高度。 2 4 平砧镦粗成形工艺有限元模拟与分析 2 4 1 坯料高径比对成形结果的影响 图2 - 7 所示为不同高径比的坯料采用平砧镦粗工艺后毛坯的等效应变分布 场图。 1 4 武汉理i ：人学硕? ：学位论文 ( a ) i - - i d = 2 5 ( c ) n d = 1 8 一 【! 雯 ( b ) h d = - 2 0 厂 飞卫 ( d ) h d = 1 5 图2 7 不同高径比的坯料镦粗后的成形情况 03 6 0 羔_ 00 4 - 7 1m 1 1 3 09 6 0m a x 从图中可以发现，平砧镦粗后的毛坯变形极不均匀，镦粗后的毛坯明显存 在三大变形区，毛坯上、下端面与平砧接触存在较大的摩擦阻力，受其阻碍作 用，金属塑性变形较小，为难变形区，难变形区类似一个“半球体 ，这个区域 中金属随着离端面中心区域的距离增加，变形增大。坯料内部的区域为大变形 区，整体发生了较大的塑性变形，从图中可以发现，最大等效应变值出现在坯 料端面外缘处，因为镦粗过程中上、下端面受到摩擦的作用，此区域的金属流 动较慢，端面侧表面处金属的流动较快，金属向内翻转，使得此区域变形较大， 产生了最大等效应变。毛坯侧表面处变形介于上述两区域之间，此区域出现鼓 形。 l警0-怖“ ，_l_z2 i i_n x j0旷1j。1djm i 羞 1 。1_1胁胁 0 5 ， 8 4 0 7 3 0 嶂 旧 日 8 g 旧 国 旧 旧 啷啪：舅枷m m 莒= 啪淞m啪煳n ，叭o蕊 咖，吣吣魁叫 武汉理工大学硕士学位论文 从图2 7 中还可以发现，随着坯料高径比的减小，镦粗后毛坯的内部大变 形区的变形量越来越大，面积也逐渐增大，但是端面处的小变形区的面积反而 减小，但仍然存在较大区域的难变形区。提取镦粗后毛坯的等效应变值，发现 随着高径比的减小，镦粗后的毛坯平均等效应变减小，等效应变值的标准偏差 减小，如图2 8 所示。提取镦粗后侧表面的坐标参数，发现随着高径比的减小， 镦粗后的毛坯的鼓形系数减小，如图2 9 所示。这是由于高径比减小，毛坯的 变形量减小，各区域的变形程度相差较小，故平均等效应变值减小，等效应变 标准差减小，鼓形减小。 0 1 4 o 1 2 0 1 饕o 0 8 基o 0 6 0 0 4 0 0 2 o 2 52 高径比 图2 8 高径比对变形均匀性的影响 2 521 81 5 高径比 图2 - 9 高径比对外形尺寸的影响 2 4 2 坯料高径比对成形载荷的影响 0 2 5 0 2 0 1 5 争 o o 1 磊 0 0 5 0 图2 1 0 中所示为不同高径比坯料采用平砧镦粗工艺所需的最大成形载荷。 1 6 6 5 4 3 2 1 o 0 o o 0 o o a 皂m l 毋 武汉理工大学硕士学位论文 蚕 枢7 0 0 0 0 镉 碘 笔6 5 0 0 0 k 一 2 521 8 1 5 高径比 图2 1 0 高径比对最大成形载荷的影响 从图中明显可以看到，随着坯料高径比的减小，坯料完成镦粗工艺后所需 的最大成形载荷增大。高径比的减小，坯料的截面面积增大，坯料端面和平砧 接触的面积增大，使得最大成形载荷增大。对于大型坯料的制坯工艺来说，所 需的压力机吨位较大，因此压力机吨位对于制定工艺有着决定性的作用，实际 生产过程中可以根据压力机的吨位选择合适的高径比坯料。 由上我们发现，高径比的减小，镦粗后毛坯的鼓形减小，但是毛坯的变形 量减小，同时镦粗时所需的成形载荷增大，所以实际生产中根据情况选择合适 的高径比。 2 5 两步法镦粗成形工艺有限元模拟与分析 基于上述建立的两步法镦粗成形工艺，本节将系统地研究不同高径比坯料 下，不同锥形结构砧的锥角a 、l 值对变形均匀性、外形尺寸等的影响规律， 同时探究镦粗成形过程中毛坯的等效应变分布规律、金属流动规律、应力场规 律、成形载荷规律。 2 5 1 锥形结构砧参数对变形均匀性的影响 图2 1 1 到2 1 4 所示为不同高径比坯料在两步法镦粗成形后，型砧结构参数 对毛坯的变形均匀性的规律。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 0 9 6 4 o 9 6 o d 暑0 9 5 6 ， 0 9 5 2 o 9 4 8 1 61 71 81 92 02 12 22 32 4 锥角( 。) 1 61 7 1 81 92 02 12 22 32 4 锥角( 。) 0 0 9 5 0 2 5 0 2 a o 1 5 罢 0 1 0 0 9 弱 0 9 5 5 ， 口 暑0 9 5 2 曩0 9 4 9 o 9 惦 1 61 71 81 92 02 12 22 32 4 锥角( 。) 1 71 81 92 02 12 22 32 42 5 锥角( 。) 0 2 0 1 5 a ， 0 1 罢 - 0 0 5 o 0 3 0 2 4a o 1 8 9 0 1 2 o ( c ) l = 4 0 0 m m ( d ) l = 6 0 0 m m 图2 1 1 高径比为2 5 时锥形结构砧锥角对镦粗后毛坯的变形均匀性的影响 o 8 2 1 0 8 1 9 争8 1 7 詈0 8 1 5 0 8 1 3 o 8 1 1 o 8 1 1 o 8 1 争8 0 9 宝o 8 一 o 7 0 8 0 6 1 6 1 71 8 1 9 锥角( 。) ( a ) l = o m m 1 61 71 81 9 锥角( 。) o 1 8 o 1 5 o 1 2 譬 o 0 0 9 暑 o 0 0 舱 0 8 1 8 争8 1 2 宝0 8 0 8 母 0 8 0 0 8 o 8 0 5 0 8 0 4 如8 0 3 宝0 8 0 2 o 8 0 1 o 8 1 61 71 8 锥角( 。) c o ) l - - a o o m m 1 92 0 2 1 锥角( ) 0 1 6 0 1 4 o 1 2 o o 1 暑 0 0 8 o o 1 8 o 1 5 o 1 2 0 0 9 暑 0 o 0 3 ( c ) l = 4 0 0 m m ( d ) l = 6 0 0 m m 图2 1 2 高径比为2 0 时锥形结构砧锥角对镦粗后毛坯的变形均匀性的影响 1 8 7 5 6 5 哪 晕 哺 餐 n 响 n o西母o，曩 a ，m 2 西 2侣幢西惦 0 0 o 0 武汉理工大学硕士学位论文 o 7 5 0 7 4 8 争7 4 6 墨0 7 4 4 _ o 7 铊 0 7 4 0 7 4 0 7 3 8 詈0 7 3 6 兰0 7 3 4 母 0 7 3 2 o 7 3 1 41 5 锥角i 。) 1 51 61 7 锥角( 1 0 1 4 o 1 2 0 1 0 0 8 暑 o 0 0 4 0 1 5 o 1 2 o 0 0 6 磊 0 0 3 o o 7 4 5 o 7 1 3 争7 4 1 宝o 7 3 9 0 7 3 7 0 7 3 5 o 7 3 5 o 7 3 3 争7 3 1 宝0 7 约 一 0 7 2 7 o 7 2 5 锥角( ) ( b ) l = 2 0 0 m m 1 7 锥角( 。) o 1 o 1 2 0 1 m 0 0 8 磊 0 0 0 4 0 2 o 1 7 0 1 4 o 0 1 1 鼍 0 o 0 5 ( c ) l = 4 0 0 m m ( d ) l = 6 0 0 m m 图2 1 3 高径比为1 8 时锥形结构砧锥角对镦粗后毛坯的变形均匀性的影响 o 6 2 5 0 6 2 2 洳6 1 9 宝0 6 1 6 0 6 1 3 o 6 1 0 6 1 6 0 6 1 4 争6 1 2 宝o 6 1 o 8 o 6 1 21 31 41 5 锥角( 。) 1 2 1 31 1 51 6 锥角( 。) o 1 5 0 6 2 5 0 2 0 m 0 0 6 暑 o 0 6 2 争6 1 5 宝o 6 1 一 o 6 晒 00 6 o 1 5 0 1 2 o 譬 0 0 6 薯 o o 0 6 1 2 o 6 1 耄0 6 0 8 呈o 6 0 8 o 6 0 4 o 6 0 2 1 21 3 1 4 1 51 6 锥角( 。) 1 51 6仃 1 8 锥角( 。) 0 1 4 0 1 2 o 1 0 0 8 薯 0 0 6 0 0 4 o 1 8 0 1 5 o 1 2 0 0 9 乏 o o 0 3 ( c ) l = 4 0 0 m m ( d ) l = 6 0 0 m m 图2 1 4 高径比为1 5 时锥形结构砧锥角对镦粗后毛坯的变形均匀性的影响 武汉理：亡大学硕士学位论文