雙向拉應(yīng)力條件下鍛件內(nèi)部孔洞缺陷的模擬分析

常海平

(中信戴卡輪轂制造股份有限公司產(chǎn)品研制開發(fā)部，河北066003)

大型鍛件內(nèi)部孔洞缺陷的研究是大型鍛件理論研究的一個(gè)重要課題，它為制定大型鍛件鍛造工藝和研制新工藝提供了依據(jù)，同時(shí)它又制約著大型鍛件理論研究工作的進(jìn)一步發(fā)展，在大型鍛件的生產(chǎn)和研究中有著不可替代的作用。

目前，對(duì)孔洞缺陷的研究，國(guó)內(nèi)外大部分工作僅停留在研究孔隙性缺陷的閉合過(guò)程上，已有的孔隙性缺陷的閉合條件基本上都考慮了靜水應(yīng)力對(duì)孔洞閉合的影響，有些計(jì)算還考慮了鍛件尺寸及孔洞形狀對(duì)孔洞閉合的影響。但是，對(duì)鍛件受雙向拉應(yīng)力時(shí)孔洞變形研究還沒(méi)有明確的結(jié)論。本文采用Deform軟件，對(duì)在雙向拉伸條件下正方體內(nèi)部孔洞缺陷進(jìn)行分析，總結(jié)其變形條件，這也對(duì)制定鍛造成形工藝具有參考意義。

1 有限元模型的建立

取邊長(zhǎng)為500 mm的正方體，在其中心處設(shè)置直徑為1 mm的球形孔洞。利用正方體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，模擬時(shí)取其1/8建模。網(wǎng)格劃分采用四面體單元，并在孔洞區(qū)域進(jìn)行了局部細(xì)化，網(wǎng)格模型如圖1所示。鍛件材料為45#鋼，視為剛塑性材料，變形溫度為1 200℃。

圖1 網(wǎng)格模型Figure 1 The mesh model

在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，分以下兩種情況進(jìn)行模擬計(jì)算：

(1)正方體X面、Y面施加均布拉力，且在變形中保持不變，稱之為條件A。

(2)正方體X向、Y向施加均布拉力，Z向?yàn)榫級(jí)毫?，且在變形中保持不變，稱之為條件B。

X向的均布拉力為Px，Y向均布拉力為Py，Z向均布?jí)毫镻z，加載時(shí)間為t。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

η為鍛件沿Y方向的變形率，z坐標(biāo)軸代表球形孔洞經(jīng)變形成橢球的短軸，x坐標(biāo)軸代表中軸，y坐標(biāo)軸代表長(zhǎng)軸。

2.1 條件A下的孔洞變形

圖2是孔洞體積隨η增加的變化曲線。圖3是短軸隨η增加的變化曲線。圖4是長(zhǎng)軸隨η增加的變化曲線。

圖2 Px=100 MPa、Py為不同值時(shí)孔洞體積隨η增加的變化曲線Figure 2 The change of hole volume along with η variation on the condition of Px=100 MPa and Py being assigned different values

圖3 Px=100 MPa、Py為不同值時(shí)孔洞短軸隨η增加的變化曲線Figure 3 The change of hole short axis along with η variation on the condition of Px=100 MPa and Py being assigned different values

由圖2可知，當(dāng)η≤30%時(shí)，孔洞體積近似線性增大；當(dāng)η>30%后，孔洞體積的增長(zhǎng)減緩。在變形過(guò)程中，三者相比，px=py=100 MPa時(shí)孔洞體積始終保持最大，Py=120 MPa時(shí)孔洞體積始終保持最小。即Y向與X向的均布拉力比為1∶1時(shí)，孔洞體積擴(kuò)展率最大，兩者的比值越大，孔洞體積擴(kuò)展率越小。

由圖3可知，短軸隨 的增加而逐漸減小。在變形過(guò)程中，三者相比，Py=120 MPa時(shí)孔洞短軸始終保持最大；Py=100 MPa時(shí)孔洞短軸始終保持最小，即Y向、X向的拉力比為1∶1時(shí)，孔洞短軸最小，兩者的比值越大，則孔洞短軸越大。

由圖4可見，孔洞長(zhǎng)軸隨 的增加而近似線性增大。對(duì)于同一 值，Py的變化對(duì)長(zhǎng)軸基本無(wú)影響。即：在條件A下，孔洞長(zhǎng)軸的變化與X向、Y向的拉力比無(wú)關(guān)，只與變形率 有關(guān)。

圖4 Px=100 MPa、Py為不同值時(shí)孔洞長(zhǎng)軸隨η 增加的變化曲線Figure 4 The change of hole long axis along with η variation on the condition of Px=100 MPa and Py being assigned different values

2.2 條件B下的孔洞變形

2.2.1 孔洞的形狀變化

圖5是孔洞在XZ截面上隨η變化的形狀。

(a) =10% (b) =20% (c) =50% (d) =60%圖5 條件B下孔洞XZ截面隨η 變化的形狀Figure 5 The shape of the XZ cross section of the hole under condition B changed along with the η variation

由圖5可見，孔洞逐漸由球變?yōu)闄E球，z軸變短，x、y軸變長(zhǎng)，孔洞邊緣逐漸呈尖銳狀。當(dāng) 50%時(shí)，短軸端點(diǎn)已接近閉合，而長(zhǎng)軸端點(diǎn)處留有一定的空間，孔洞已不再保持橢球特征，而成環(huán)狀。當(dāng) 60%時(shí)，孔洞完全閉合。表明在雙向拉應(yīng)力條件下，另一方向壓應(yīng)力的存在使孔洞閉合成為可能。

2.2.2 孔洞的體積變化

圖6是在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa、Py分別為100 MPa、110 MPa、120 MPa條件下，孔洞體積隨Y方向變形率η增加的變化曲線。

圖6 Py不同時(shí)孔洞體積隨η 增加的變化曲線Figure 6 The change of hole volume along with η variation on the condition of Py being assigned different values

由圖6可知，在條件B、Pz不變的情況下，孔洞在Py與Px的比值為1∶1時(shí)體積減小的最快；Py與Px的比值越大，孔洞體積減小的越慢。

同時(shí)，模擬還得出以下結(jié)論：孔洞在Px=Py=100 MPa、Pz=-100 MPa時(shí)的體積小于Px=Py=100 MPa、Pz=-70 MPa時(shí)的體積，即在條件B下，Pz值越大，孔洞體積越小。

2.2.3 孔洞短軸變化

圖7是在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa、Py分別為100 MPa、110 MPa、120 MPa條件下，孔洞短軸隨η增加的變化曲線。

圖7 Py不同時(shí)孔洞短軸隨η 增加的變化曲線Figure 7 The change of hole short axis along with η variation on the condition of Py being assigned different values

圖8 Py不同時(shí)孔洞長(zhǎng)軸隨η 增加的變化曲線Figure 8 The change of hole long axis along with η variation on thecondition of Py being assigned different values

由圖7可見，孔洞短軸均隨 的增加而減小。在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa條件下，在Py=100 MPa、 =60%時(shí)孔洞短軸為0。在Py分別為110 MPa、120 MPa和 =70%時(shí)孔洞短軸為0?？芍琍z不變時(shí)，Px=Py比PxPy時(shí)更有利于孔洞短軸的減小。

2.2.4 孔洞長(zhǎng)軸變化

圖8是在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa、Py分別為100 MPa、110 MPa、120 MPa條件下，孔洞長(zhǎng)軸隨η增加的變化曲線。

由圖8可見，孔洞長(zhǎng)軸均隨 的增加而近似線性增大。對(duì)于同一η值，孔洞長(zhǎng)軸大致相等，即在上述情況下，Py的變化對(duì)長(zhǎng)軸基本無(wú)影響。所以在Pz不變時(shí)，孔洞長(zhǎng)軸變化與Px、Py的大小無(wú)關(guān)，只與變形率η有關(guān)。

3 結(jié)論

對(duì)在雙向拉應(yīng)力條件下正方體鍛件內(nèi)部的中心孔洞缺陷進(jìn)行了有限元模擬，得出以下結(jié)論：

(1)不受壓力的情況下，孔洞體積和尺寸均持續(xù)擴(kuò)展，無(wú)閉合可能。Px∶Py=1∶1時(shí)，孔洞體積擴(kuò)展最大，兩者的比值越大，孔洞體積的擴(kuò)展越小。

(2)當(dāng)Pz<0時(shí)，在所研究的條件下，變形中內(nèi)部孔洞的體積和尺寸呈減小趨勢(shì)，孔洞存在閉合可能。且在Pz恒定、Px∶Py=1∶1時(shí)孔洞體積減小最快，兩者的比值越大，孔洞體積減小越慢。

(3)Pz不變時(shí)，Px=Py比PxPy更有利于孔洞短軸的減小。

(4)孔洞長(zhǎng)軸變化與Px、Py的大小無(wú)關(guān)，只與變形率 有關(guān)。

[1] 季雪.壓力容器整體頂蓋成形工藝的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究：[燕山大學(xué)碩士論文].2007:10-22.

[2] 金寧.大鍛件孔隙性缺陷的壓合與焊合規(guī)律的研究及高溫柵的研究；[清華大學(xué)博士論文].1996:16-38.

[3] 崔振山，徐秉業(yè)，任廣升，等.大鍛件內(nèi)部空洞的鍛合壓下率.塑性工程學(xué)報(bào)，2002,9(3):6-9.

[4] 王祖唐，劉莊，任猛.大鋼錠內(nèi)部空洞鍛合過(guò)程的數(shù)值模擬.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1989,25(3):51-56.

[5] 任猛.大型鋼錠內(nèi)部孔洞性缺陷鍛合過(guò)程的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究：[清華大學(xué)博士論文].1986:12-40.

[6] 蔣智，任廣升，徐春國(guó)，等.圓柱體熱鍛件內(nèi)部單元閉合的模擬分析.塑性工程學(xué)報(bào)，2005,12(1):47-49.

[7] Ren Guangsheng,Huang Zhaohui,Bai Zhibin. Experimental investigation of strain distribution in cylindermodel with void in the center during upset processes by photoplastic simulation [J]. Chinese J. Mech. Eng., 1995,31(2):93-98.

[8] 崔振山，任廣升，徐秉業(yè)，等.圓柱體內(nèi)部空洞的熱鍛閉合條件.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003,43(2):227-323.

[9] 任運(yùn)來(lái).大型鍛件內(nèi)部缺陷修復(fù)條件和修復(fù)方法研究.[燕山大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文].2003:1-10.