水平V型砧锻造大型轴类锻件的数值模拟和实验

1、第1期倪利勇 等：水平V型砧锻造大型轴类锻件的数值模拟和实验仃塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICIT Y ENGINEERIN Gdoi :101 3969/ j1 issn1 1007220121 20101 011 004水平V型砧锻造大型轴类锻件的数值模拟和实验 3（11广东海洋大学 工程学院，湛江 524088）倪利勇1,3张永军2（21北京科技大学 材料科学与工程学院，北京100083）刘助柏3王 贵1（31燕山大学 机械工程学院，秦皇岛 066004）刘助柏土 贵,在锻件内部应力摘 要：水平v型砧锻造法，可以通过控制锻件金属的流动方向减少轴类锻件力学性能的异向性状态、

2、金属纤维组织、锻件的整体性能、宏观几何形状等方面都优于普通平砧锻造法。采用有限元分析方法，对水平V型砧锻造法进行了数值模拟，结果显示，采用水平V型砧锻造法时，在砧宽比为110和料宽比为015的条件下，锻件心部的横向应力都处于压应力状态，而采用普通平砧锻造法使用相同工艺参数时，则会岀现不利的拉应力状态。这表明水平V型砧锻造法比普通平砧锻造法在控制轴类锻件的横向应力上更有利，有更广泛的工艺参数范围。关键词：锻造；水平V型砧；轴类锻件；异向性中图分类号：T G316文献标识码：A 文章编号：1007 22012 （ 2010 ） 0120015203Numerical simulation and

3、experimentalresearch on forging ofheavy cylindrical parts with horizontalV2shaped anvilsNI Li2yong1,3 ZHAN G Yong2un 2 L IU Zhu2bai 3 WAN G Gui 1(11 College of Engineering , Guangdong Ocean University , Zhanjiang 524088 China)(21 School of Material Science and Engineering , University of Science and

4、 Technology Beijing , Beijing 100083 China)(31 College of Mechanical Engineering , Yanshan University , Qinhuangdao 066004 China).乙- _I- . rfI .,论鉴III 饥FAbstract : The forging method with horizontal V2shaped anvils ( HVA ) is able to reduce the anisotropy of mechanical properties of cylindrical forg

5、ings through controlling the metal flowing direction. The forging method is superior to the common flat anvils (FA) forging method in inner stress states , metal tissue , overall properties and geometrical shapes of forgings. FEM numerical simulation is conducted for the HVA forging method. The simu

6、lation results show that during HVA forging , when the ratio of the width of flat anvil to the billet height is 110 and the ratio of the billet width to the billet height is 015 , the transversal stress in the heart zone of forgings is compressive. On the contrary , during the FA forging , the stres

7、s is tensile. It indicates that the HVA forging method is a more effective process than the FA forging method in the controlling of transversal stress of axial forg 2ings and the former can be applied with wider processing parameters range.Key words : forging ; horizontal V2shaped anvil ; axial forg

8、ing ; anisotropyf) 994-201 ChinaElectronic Publishinzrifihls reserved, hllp:?enki.m第1期倪利勇 等：水平V型砧锻造大型轴类锻件的数值模拟和实验仃f) 994-201 ChinaElectronic Publishinzrifihls reserved, hllp:?enki.m第1期倪利勇 等：水平V型砧锻造大型轴类锻件的数值模拟和实验仃引言拔长是大型轴类锻件的主要成形工序之一。由3国家自然科学基金资助项目（59235101 , 50672015 ）;广东省自然科学基金资助项目（8452408801001711

9、 ）;广东海洋大学博士科研基金资助项目（0612165 ）。倪利勇E2mail : niliyong yahoo1 com1 cn作者简介：倪利勇，男，1977年生，博士，广东海洋大 学工程学院，副教授，研究方向为塑性成形新理论、新工艺及质量控制收稿日期：2008211230 ;修订日期：2009201212于大型轴类锻件的生产工艺除了满足成形要求之外，还必须消除原始铸锭的铸造组织，改善锻件的力学性能，已有的研究提出了很多方法，其中以FM 法1、WHF法和JTS法最为常用。此外,中国第 一重型机械集团公司提出了上下V型砧宽砧大压下量的KD锻造法2;陈颖，任运来，聂绍珉等3提 出了一种凹面砧拔长

10、工艺；吕炎4提出了非对称拔长工艺；Dyja H1等5提出了径向梯形砧拔长工艺 和锻透径向砧拔长新工艺。但这些锻造工艺生产的 大型轴类锻件，由于成形后所形成的纤维方向基本 上平行于轴的中心线，其纵向力学性能大于横向力 学性能，即力学性能存在异向性。为改善锻件的横向性能，刘助柏等6引提出了水平 V型砧锻造新工 艺。对水平V型砧锻造法中金属变形过程进行理论 分析，证明水平V型砧锻造法在内部应力状态、金属纤维组织、锻件的整体性能、宏观几何形状等方 面都优于普通平砧锻造法。本文选择砧宽比为11 0和料宽比为01 5的工艺参数,利用ANS YS软件对水平V型砧锻造法进行 数值模拟，用提供的生死单元技术实现

11、逐次压下过 程的数值模拟。实验中也相应采用同样的工艺参数。1有限元模型数值模拟选用材料为 45号钢，其力学性能见 表 18。表145号钢的力学性能Tab11Mechanical properties of 45 steel温度/ c20400850110011501200屈服应力，财2/MPa42350192857160弹性模量/ GPa2101881181009590塑性模量/ MPa75050040020018080试件尺寸长 L = 900mm ,宽B = 150mm ,高 H = 300mm。砧子宽度 W = 300mm。此时，砧宽比 A = W/ H = 110 ,料宽比为B/ H

12、= 015。假定常摩擦 系数为0149,在1200 C下进行等温锻造。为进行比 较,设定上下水平 V型砧的总体尺寸与平砧相同 ， 选用角度a =10 , 3 = 120。从一端开始向另一端进 行拔长锻造。考察的压下量分别为5 %、10 %、 15%、20 %和25 %。水平V型砧在端部拔长时，整 体模型在轴向上不具有对称性，而在横向和高度方 向上具有对称性，因此取其1/4进行分析。图1所 示为水平V型砧端部拔长的有限元模型（平砧端部拔长与水平V型砧端部拔长的有限元模型类似）。蒸轍B一=;(養矗I ? 蠢瞬If图1水平V型砧端部拔长的有限元模型Fig 11 Finite element mode

13、l for stretching with HVA2数值模拟结论与讨论按照砧宽比的定义，根据工程应用习惯，建立压下量与瞬时砧宽比的一一对应关系。图2给出了端部拔长时平砧下中心点和水平V型砧下中心点的横向应力与瞬时砧宽比的关系。瞬时砧宽出冲图2端部拔长时中心点的横向应力比较Fig1 2 Comparison of transversal stress of middlepoints for stretching at the end由图2可见，在压下量为5%的时候，采用平砧锻造时中心点横向应力为压应力 ，而水平V型砧 锻造时中心点的横向为拉应力。这是由于水平V型 砧锻造时，砧子的凸起部分刚开始接

14、触坯料 ，驱动 砧子两侧的金属流动，而中心部位的金属流动较慢，造成了较大的拉应力。随着压下量的增加 ，普通平 砧锻造法很快就将中心点的压应力转变为拉应力，并在压下量接近10 %时,两种锻造法产生了大致相 当的横向拉应力。在压下量为12 %左右，水平V型 砧对横向应力的控制作用开始超过普通平砧，并将横向拉应力转变为压应力。在压下量为15 %20 % 时，水平V型砧具有明显的优势。随着压下量的继 续增大，水平V型砧与坯料全面相接触，对横向应力的控制作用逐步减缓。在大压下量时，水平V型 砧类似于普通平砧，两者对横向应力的控制趋近平 衡。从不同压下量时的单步压下过程看，在通常的压下量范围（10 %20

15、 %之间）内，水平V型砧锻 造法在横向应力的控制方面比普通平砧具有优势。图3给出了水平 V型砧从一端向另一端逐次压下后砧子中心处横截面横向中心线横向应力的分布。可以看出，在使用水平V型砧拔长时，其横向应力都 是压应力状态；同时发现，随着拔长过程的进行，砧子 中心处横截面上的横向压应力越来越大，只有在接近外表面的位置，横向应力都趋近于零。而根据平砧拔 长矩形截面毛坯的新理论，在同样的工艺参数下，在 使用普通平砧拔长时，横向应力是处于拉应力状态。到中心点的横向距离，;/min io lo-ao-40-80第i砧T-第2砧T第.勺砧/WPS 亠-R圏匡塑图3 各砧压下后砧子中心处横截面横向中心线横向

16、应力分布图5平砧拔长后的毛坯试样截面Fig15 Crosssection of billet stretched with FA4结论Figi 3 Transversal stress distribution along transversalaxial of cross section after blows3物理模拟实验采用“塞棒法”进行物理模拟。假设在试件中打 入小销轴，视轴孔之间的间隙作为坯料的显微裂纹 源。坯料在拔长变形时，若间隙表面作用有拉应力，则间隙会张开，形成宏观裂纹；若间隙表面没有拉应 力,甚至作用有压应力，则随着压下量的增大，间隙表 面会越压越紧，高温下还可能焊合在一起，

17、裂纹消失。所用的型砧和试件尺寸均与数值模拟中的相同。在试件中打入直径 6mm的销轴。把两个相同的试 件在高温炉中加热到 1220 C,均温后在1250t水压 机上分别进行水平 V型砧和普通平砧拔长变形，压 下量控制在20 %左右。变形后试件空冷。在锯床上把变形后的试件锯成横向试片 (试片包 含镶入试件的销轴)。然后，在普通刨床上，把试片 沿轴孔配合的中心线横向剖开，精磨制成试样。试样的横向截面形貌如图4、图5所示。图4为水平V型砧拔长的毛坯试样截面图，未发现中心 区域轴孔之间裂纹发生，试件侧面凸出不明显，鼓形小，变形均匀。图5为平砧拔长的毛坯试样截面 图，中心区域轴孔之间有裂纹发生，裂纹刚好位

18、于变形体的被动变形区，说明该区存在横向拉应力，试件鼓形大变形不均匀。图4水平V型砧拔长后的毛坯试样截面Fig 14 Crosssection of billet stretched with HVA1) 对水平V型砧尺寸和平砧拔长矩形截面毛坯的过程进行数值模拟和物理模拟比较。模拟中两种砧子的长、宽相同，坯料的尺寸相同，即砧宽比、料 宽比都相同；材料模型、摩擦系数以及锻造温度也都 相同。研究发现，在砧宽比 W/ H = 110和料宽比B/一.H =015的情况下，压下量在15 %20 %之间时，水 平V型砧锻造法比普通平砧具有较大的优势。2) 在使用水平V型砧拔长时，在砧宽比为11 0 和料宽比

19、为01 5的条件下，坯料横截面上的横向应 力均为压应力状态，并且随着拔长的进行 ，横向压 应力越来越大。3) 在通常的工艺参数情况下，水平V型砧比普通平砧更具有控制横向拉应力的优势。参考文献1 Masayoshi Kawai. On the Mannesmann Effect Appea 2 ring in the Course of Solid Forging of Steel Ingot C .Proceedings of 8th International Forgemasters Meeting , Kyoto ,19772 谢云岫.一重转子锻件锻造工艺的演变和发展C.第四届全国锻压学会论文集.1987 :1243 陈颖，任运来，聂绍珉.凹面砧方坯拔长研究J .大型铸锻件,2001. (3) :22 2254 吕炎.大型锻件非对称拔长工艺的有限元分析J .金属科学与工艺,1985. (9) :9521005 Dyja H ,Banaszek G ,Mr dz S ,et al. Modelling of Shape Anvils in Free Hot Forging of Long Prod