大型餅形鍛件成形工藝研究

趙玲玲 郭 義

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457)

大型餅形鍛件成形工藝研究

趙玲玲 郭 義

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457)

采用“鐓粗”和“鐓粗+旋轉(zhuǎn)壓下”兩種工藝方案完成了大型餅形鍛件成形過程的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示在鐓粗工序后，采用雙面旋轉(zhuǎn)壓下方式完成最終餅形鍛件成形可以增加鍛件上、下端面附近的變形量，縮小剛性變形區(qū)范圍，有利于鍛件內(nèi)部晶粒細化，從而提高餅形鍛件調(diào)質(zhì)后的性能。

餅形鍛件；鐓粗；旋轉(zhuǎn)壓下；數(shù)值模擬

鐓粗是大型餅形鍛件鍛造成形的主要工序之一。鐓粗時，坯料與上、下鐓粗板接觸的端部附近區(qū)域存在剛性變形區(qū)[1，2]。剛性變形區(qū)內(nèi)金屬的變形量較小，不利于鍛件內(nèi)部疏松、空洞的鍛合。為了增加該剛性變形區(qū)內(nèi)金屬的變形量，縮小剛性區(qū)范圍，本文在餅形件鐓粗成形工序后增加了鍛件上、下端面旋轉(zhuǎn)壓下工藝。首先，利用數(shù)值模擬技術(shù)完成鐓粗成形餅形鍛件工藝的數(shù)值模擬計算，分析不同鐓粗鍛比時餅形件內(nèi)部的變形量分布。然后，進行“鐓粗+旋轉(zhuǎn)壓下”成形餅形鍛件工藝的數(shù)值模擬。最后，通過模擬結(jié)果對比，分析增加旋轉(zhuǎn)壓下工藝對餅形件上、下端面附近區(qū)域變形量的影響。

1 鐓粗工藝數(shù)值模擬及結(jié)果分析

1.1 鐓粗工藝數(shù)值模擬模型的建立

大型柱狀坯料鐓粗時，通常采用鐓粗鍛比γ表征坯料的變形量大小。鐓粗鍛比γ=鐓粗前坯料高度H/鐓粗后坯料高度H′。γ值越大，表示鍛件整體變形量越大。

采用上、下平鐓粗板進行餅形鍛件成形工藝的數(shù)值模擬。鐓粗前坯料尺寸為?650 mm×H1 550 mm，餅形件成形后的高度為H′=320 mm，鍛比γ=1 550/320≈4.8。為了考察不同壓下量時坯料內(nèi)部的變形情況，截取了數(shù)值模擬結(jié)果中不同壓下量時坯料軸截面內(nèi)的等效應(yīng)變分布圖，該過程可視為成形不同鐓粗鍛比餅形件的過程。不同鐓粗鍛比γ與坯料鐓粗后高度H′關(guān)系見表1。

表1 鐓粗鍛比γ與坯料鐓粗后高度H′的關(guān)系Table 1 Relationship between upsetting forging ratio γ and height after billet upsetting H′

1.2 不同鐓粗比鍛件內(nèi)部的變形分析

采用不同鍛比鐓粗時，坯料軸截面內(nèi)的等效應(yīng)變分布見圖1。

圖1顯示，隨著鐓粗鍛比的增大，鍛件內(nèi)部的等效應(yīng)變總體逐漸增大，即變形量逐漸增大。當(dāng)γ=2時，除上、下端面附近以外，鍛件其余部位的等效應(yīng)變均達到了0.8以上。但由于坯料與上、下鐓粗板接觸區(qū)附近剛性變形區(qū)的存在，γ從2至4.8的鐓粗過程中，鍛件上、下端面靠近中心軸附近始終存在等效應(yīng)變小于0.4的小變形區(qū)。

2 旋轉(zhuǎn)壓下工藝數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 旋轉(zhuǎn)壓下工藝方案

為了減少剛性變形區(qū)的范圍，采用“鐓粗+旋轉(zhuǎn)壓下”工藝鍛造餅形鍛件。即在鐓粗工序后采用上、下端面旋轉(zhuǎn)壓下工藝最終完成鍛件成形。旋轉(zhuǎn)壓下工藝見圖2。

圖1 坯料軸截面內(nèi)的等效應(yīng)變分布Figure 1 Effective strain distribution of billet in axial section

圖2 旋轉(zhuǎn)壓下工藝Figure 2 Spinning process

具體工藝如下：

(1) 坯料鐓粗至“鍛件高度+200 mm”時，停止鐓粗，而后采用旋壓工藝完成最后200 mm的壓下。針對本文餅形鍛件，坯料從?650 mm×H1 550 mm尺寸鐓粗至高度520 mm時停止鐓粗，而后采用旋壓工藝最終成形高度為320 mm的餅形鍛件。

(2) 旋轉(zhuǎn)壓下時，每次旋轉(zhuǎn)工作臺帶動鍛件轉(zhuǎn)動30°～40°。旋轉(zhuǎn)壓下共分為4道次：第1道次和第2道次旋壓坯料上端面，每次壓下量50 mm；而后，將坯料翻轉(zhuǎn)180°，旋壓坯料下端面，第3道次旋壓量50 mm，第4道次壓下量視鍛件情況確定，保證最終餅形鍛件成形后高度為320 mm。

圖3 旋轉(zhuǎn)壓下工藝數(shù)值模擬Figure 3 Numerical simulation of spinning process

2.2 旋轉(zhuǎn)壓下工藝過程數(shù)值模擬

將坯料放置到旋轉(zhuǎn)工作臺上，采用上平砧進行旋轉(zhuǎn)壓下。旋轉(zhuǎn)壓下過程如圖3所示。

2.3 旋轉(zhuǎn)壓下過程中坯料內(nèi)部的變形分析

旋轉(zhuǎn)壓下過程中，坯料軸截面內(nèi)部的等效應(yīng)變分布如圖4所示。

圖4顯示，坯料完成兩個端面旋轉(zhuǎn)壓下后，等效應(yīng)變小于0.4的變形區(qū)只體現(xiàn)在鍛件表層。

將圖1(e)和圖4(d)兩種工藝方案得到的鍛件軸截面內(nèi)的等效應(yīng)變進行對比可以看出，“鐓粗+旋轉(zhuǎn)壓下”工藝提高了餅形鍛件近端面區(qū)域的變形量，基本消除了圖1(e)中鍛件內(nèi)部等效應(yīng)變小于0.4的變形區(qū)，使得鍛件剛性變形區(qū)的范圍明顯減少。

3 兩種工藝鍛件內(nèi)部變形量對比

針對兩種成形方案，選取特征位置對餅形件成形后的內(nèi)部變形量進行對比，特征點位置如圖5所示。餅形件的主鍛造方向為徑向，P1、P2和P3為鍛件調(diào)制后性能試料的取樣位置。P4為餅形件端部附近接近中心軸位置。

圖4 坯料軸截面內(nèi)的等效應(yīng)變分布Figure 4 Effective strain distribution of billet in axial section

圖5 特征點位置Figure 5 Positions of characteristic points

圖6 特征點位置等效應(yīng)變比較Figure6 Comparison of effective strain at the positions of characteristic points

表2 特征點位置的等效應(yīng)變Table 2 Effective strain at the positions of characteristic points

從數(shù)值模擬結(jié)果中提取出餅類鍛件成形后的以上四個特征點位置的等效應(yīng)變，如表2和圖6所示。其中，方案1為僅采用“鐓粗”工藝完成鍛件成形，標記為F1。方案2為采用“鐓粗+旋轉(zhuǎn)壓下”工藝完成鍛件成形，標記為F2。

從圖6中可以看出，采用方案F2后，鍛件四個特征點的等效應(yīng)變值均比方案F1中的值大。特別在P4位置，等效應(yīng)變值由0.61增至了1.07?？梢姡陲炐五懠懺斐尚魏笃谠黾有D(zhuǎn)壓下工藝能夠有效提高鍛件端面附近的等效應(yīng)變，縮小該處剛性區(qū)的范圍，從而可以增強鍛件內(nèi)部的晶粒細化效果，提高餅形鍛件調(diào)制后的性能。

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬技術(shù)完成了“鐓粗”和“鐓粗+旋轉(zhuǎn)壓下”兩種工藝方案成形大型餅形鍛件的數(shù)值模擬。通過對數(shù)值模擬結(jié)果中鍛件內(nèi)部變形量進行對比可以看出，與僅采用“鐓粗”工藝相比，采用“鐓粗+旋轉(zhuǎn)壓下”工藝鍛造餅形件可以使鍛件上、下端面附近金屬的變形量增大，有利于鍛件內(nèi)部晶粒細化，達到提高餅形鍛件調(diào)制后性能的目的。

[1] 康大韜, 葉國斌. 大型鍛件材料及熱處理. 北京：龍門書局出版社, 1998: 79-81.

[2] 張莉萍, 于鎖潔, 倪利勇, 林正英. 大型餅類鍛件鐓擠工藝應(yīng)變場的數(shù)值模擬[J]. 機械設(shè)計及制造, 2008 (10): 201-202.

編輯 李韋螢

Research on Forming Process for Heavy Disk Forgings

ZhaoLingling,GuoYi

Two kinds of process schemes, “upsetting” and “upsetting + spinning”, can be used to complete the numerical simulation for forming process of heavy disk forgings. The simulation results indicate that double spinning after upsetting for the last forming of disk forgings can increase the deformation near two end faces of forgings, and reduce the area of rigid deformation zone which can refine the grain size and improve the performance of disk forgings after quenching and tempering.

disk forgings; upsetting; spinning; numerical simulation

2014—02—13

TG316

A