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      H13鋼輥環(huán)鍛造工藝沖孔過程模擬

      2013-08-28 06:40:58太原重工股份有限公司大鍛件研究所山西030024胡運寶
      金屬加工(熱加工) 2013年21期
      關鍵詞:沖孔坯料鍛件

      太原重工股份有限公司大鍛件研究所 (山西 030024) 胡運寶

      擠壓機是實現(xiàn)金屬擠壓加工的主要設備,而輥環(huán)作為擠壓機的重要鍛件,由于工作環(huán)境要求其硬度高,綜合力學性能好。H13鋼具有高抗沖擊能力和高淬透性,可滿足輥環(huán)工作環(huán)境所需。但H13鋼的鍛造性能差,鍛造溫度范圍為900~1180℃,鍛造溫度范圍較窄。此外,該鋼比較脆,鍛造時極易產(chǎn)生裂紋。H13鋼加熱工藝、鍛造工藝及鍛后處理,H13鋼芯棒鍛造坯料中常見的幾種缺陷及產(chǎn)生原因,以及H13鋼國內外模具鋼生產(chǎn)廠家裝備及工藝有很多文獻進行了闡述。

      本文采用FORGE有限元模擬軟件對H13鋼輥環(huán)鍛造工藝成形過程中沖孔過程進行數(shù)值模擬研究,對指導實際生產(chǎn)具有重要意義。FORGE有限元模擬軟件是法國的一款鍛造專用模擬軟件,應用數(shù)值模擬技術可以提前預測鍛造中的某些缺陷,進而改進工藝,縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

      1.工藝方案確定及鍛件尺寸

      此輥環(huán)鍛件尺寸為φ1670mm×1170mm,中間通孔為φ520mm,重18.166t(見圖1)。所采用鋼錠為電渣重熔錠,重19.5t,鋼錠利用率高達93.2%,因此在控制精度較高的125MN油壓機上進行鍛造。

      工藝方案確定:第一階段正沖,坯料放在下平臺上,使沖子運動高度H=800mm。第二階段反沖,坯料翻轉180°,放在漏盤上,用φ450mm實心沖子將孔沖透。

      圖1 H13輥環(huán)鍛件

      2.有限元模型建立

      (1)建模 對坯料、上砧、下平臺、漏盤、實心沖子進行實體建模,在UG6.0中進行三維圖形繪制,將圖形轉化為STL格式,導入FORGE中,如圖2所示。圖3為車間實際圖。

      圖2 實體建模

      圖3 實際生產(chǎn)中坯料與上砧、下平臺接觸

      (2)有限元模擬軟件FORGE的參數(shù)設定 首先,坯料的網(wǎng)格劃分。合理的網(wǎng)格劃分可以提高求解的精度并降低運算量,F(xiàn)ORGE具有強大的網(wǎng)格自動劃分功能,還具有局部網(wǎng)格細劃分功能。圖4為坯料的網(wǎng)格劃分圖,共劃分網(wǎng)格89 706個,因沖孔時中心區(qū)域受力較大,網(wǎng)格畸變較嚴重,在此區(qū)域網(wǎng)格應細化分。

      圖4 坯料網(wǎng)格劃分

      其次,H13鋼材料屬性。H13鋼對應德國牌號為40CrMoV5/1.2344,其應力應變曲線見圖5。

      圖5 H13鋼應力應變

      再次,對象間的關系。熱摩擦因數(shù)選文件為water+graphite.tff,熱交換系數(shù)選文件為Steel-hotweak.tef。

      最后,控制的設定。采用行程控制,始鍛溫度設為1180℃,設定上砧壓下速率為20mm·s-1。

      3.H13鋼輥環(huán)鍛造工藝沖孔成形模擬結果分析

      借助于FORGE軟件對H13鋼輥環(huán)鍛件成形的模擬模型進行了有限元分析計算并進行后處理,獲得H13鋼輥環(huán)鍛件成形效果圖、應力場、應變場及溫度場等數(shù)據(jù)。

      (1)沖孔后的模擬效果 圖6為H13鋼輥環(huán)鍛件沖孔完后的模擬效果,總體模擬效果較好,表面無裂紋;在內緣孔處,會產(chǎn)生拉縮現(xiàn)象。

      圖6

      (2)H13鋼輥環(huán)鍛件沖孔過程 如圖7所示,因鍛件對稱,現(xiàn)只分析坯料一半時的成形過程。第一階段為正沖,將加熱好的坯料放在上平臺,φ450mm實心沖子放在坯料中心處,上平砧與沖子接觸如圖7a所示,金屬開始沖孔變形,由于上砧子不斷運動,對沖子施加作用力,迫使沖子下面的金屬流動;當沖子進一步運動時,沖子下面金屬運動類似于環(huán)形包圍下的鐓粗過程,四周為間接受力區(qū),一方面由于沖頭下面金屬鐓粗,會產(chǎn)生拉縮現(xiàn)象,另一方面外徑會增大,越靠下會越明顯,如圖7b所示;當沖子運動高度H=800mm時,把坯料翻轉180°,放入漏盤,開始反沖,如圖7c所示;沖子繼續(xù)運動,變形抗力猛增,最終將沖頭下面的余料沖掉,完成沖孔過程,如圖7d所示。

      圖7 H13鋼輥環(huán)鍛件沖孔成形過程

      根據(jù)上述分析,總結出鍛件沖孔過程金屬流動規(guī)律:該鍛件變形過程為沖孔成形,沖頭下面的坯料類似于鐓粗過程,沖頭四周的坯料會產(chǎn)生拉縮現(xiàn)象,最終隨著砧子運動完成沖孔過程。總體受力為壓應力,變形均勻,流動完整,質量可靠。變形的關鍵點是沖子運動H=800mm時,應將坯料迅速翻轉180°,防止鍛件溫度降低過快,出現(xiàn)裂紋。操作時,避免坯料表面產(chǎn)生大的拉縮現(xiàn)象,此外在坯料外壁偏下、內壁偏上處變形大,易裂,操作時應特別注意。

      (3)等效應力應變、溫度場分析 圖8是坯料翻轉180°反沖時的應力分布。由圖可知,應力分布總體上均勻對稱。鍛件外壁受力較小,與沖頭接觸位置受力較大,符合應力分布規(guī)律,等效應力值最大能達108MPa。在內緣孔處,金屬流動劇烈,應力值高,磨損嚴重,沖孔過程中以上部位變形劇烈,是磨損和裂紋生成、擴展的主要危險區(qū)。因此,沖頭要設計適當?shù)倪^渡圓角,防止開裂、磨損。

      圖8 翻轉時等效應力

      圖9 是終鍛時等效應變分布。由圖可知,應變最終集中在內緣孔處,坯料外壁偏下、內壁偏上處,應變最大值為0.36。從圖10溫度場分布可以看出,溫度場的最終分布情況與等效應變分布一致,即應變大的部分溫度高,鍛件表面最高約1097℃,最低約900℃,總體分布比較均勻約920℃。

      圖9 終鍛時等效應變

      圖10 終鍛時溫度場分布

      (4)與實際生產(chǎn)鍛件對比 圖11為實際生產(chǎn)H13鋼輥環(huán)鍛件,表面無裂紋,金屬流動較好,與模擬結果相比,總體比較吻合。

      圖11 實際生產(chǎn)的鍛件

      4.結語

      通過對H13鋼輥環(huán)鍛件沖孔過程有限元模擬,使成形過程更加形象化、直觀化。從模擬結果與現(xiàn)實鍛件產(chǎn)品對比分析可以得出:①利用FORGE有限元軟件對H13鋼輥環(huán)鍛件沖孔過程進行數(shù)值模擬,沖孔結果令人滿意,成形過程金屬流動順暢,未出現(xiàn)表面開裂等缺陷,與實際鍛出產(chǎn)品相吻合。②由沖孔模擬結果可知,鍛件內緣孔處會產(chǎn)生拉縮現(xiàn)象,與現(xiàn)實比較符合,在實際生產(chǎn)中要增加一道平整工序。③由終鍛溫度場分布可知,終鍛溫度平均在920℃左右,在H13鋼鍛造溫度范圍之內。由終鍛等效應變場知,最終應變集中在內緣孔處,坯料外壁偏下、內壁偏上處,應變最大值為0.36。

      (20130715)

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