文／高妍，陳文琳，曾侗·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

高碳鋼冷軋輥鍛坯倒棱滾圓后成形分析

文／高妍，陳文琳，曾侗·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

倒棱滾圓是軸類鍛件的最后成形工序，同拔長(zhǎng)工藝一樣，對(duì)鍛件最終的尺寸精度和成形質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。本文分別針對(duì)平砧、V形砧、M形砧，確立每種形砧下軸類鍛件倒棱滾圓的鍛造工藝，并對(duì)每種工藝下成形鍛件的尺寸精度和內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析和比較，從而確定出使鍛件成形質(zhì)量最佳的形砧及其倒棱滾圓工藝路線。

不同砧型下的工藝過程

平砧倒棱滾圓過程

為了研究平砧倒棱滾圓過程中壓下量對(duì)成形鍛件尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量的影響，分別設(shè)置7%、8%、9%三種壓下量進(jìn)行模擬。

⑴不同壓下量對(duì)鍛件內(nèi)部孔洞閉合效果的影響。

不同壓下量下平砧倒棱滾圓后鍛件心部相對(duì)密度變化曲線見圖1。從圖中可看出，8%壓下率下鍛件心部質(zhì)量最好，7%次之，9%最差，這是因?yàn)殡m然9%壓下率下鍛件等效應(yīng)變大，但同時(shí)橫向展寬傾向大，導(dǎo)致心部質(zhì)量變差。

圖1 不同壓下量下鍛件心部相對(duì)密度變化曲線

⑵不同壓下量對(duì)鍛件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的影響。

鍛造過程中鍛件心部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是決定鍛件質(zhì)量的重要指標(biāo)。在鍛造過程中應(yīng)保證鍛件內(nèi)部應(yīng)變盡量大，且在心部不存在拉應(yīng)力。選取距鍛件端面80mm的一橫截面，分別對(duì)不同壓下量下平砧倒棱滾圓過程中該截面中心點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析和比較。

圖2 不同壓下量下鍛件心部標(biāo)記點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變變化曲線

倒棱滾圓過程中該截面中心點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變變化曲線見圖2。從圖中可看出，每次壓下9%時(shí)，鍛件心部等效應(yīng)力較大，靜水應(yīng)力也最大，但等效應(yīng)變不大；7%時(shí)等效應(yīng)變最大，但靜水應(yīng)力??；8%時(shí)靜水應(yīng)力、等效應(yīng)變均較大，這有利于成形鍛件心部的鍛合。

⑶不同壓下量對(duì)鍛件尺寸精度的影響。

為了比較不同壓下率下平砧倒棱滾圓后成形鍛件的尺寸精度，在鍛件截面圓周均勻選取6個(gè)點(diǎn)，對(duì)滾圓后每一點(diǎn)處半徑值進(jìn)行測(cè)量并分析比較。表1列出了不同壓下率下的鍛件尺寸精度。從表1以中可以看出，7%壓下率下滾圓成形后鍛件截面平均直徑為91.817mm，其最接近所需鍛件截面尺寸φ80mm，成形效果最好，但其各點(diǎn)半徑值的標(biāo)準(zhǔn)方差卻比8%時(shí)的大，說明8%時(shí)所得的軸類鍛件截面圓度最佳，尺寸精度最好。

表1 不同壓下率下的鍛件尺寸精度分析

根據(jù)上述對(duì)鍛件心部相對(duì)密度變化、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析以及尺寸精度的比較可知，8%的壓下率是較合適的。

V形砧倒棱滾圓過程

相對(duì)于普通平砧倒棱來說，V形砧鍛造有如下優(yōu)點(diǎn)：在應(yīng)力控制上，內(nèi)部金屬大部分處于橫向壓應(yīng)力狀態(tài)，阻礙了縱向裂紋的產(chǎn)生；在纖維組織上，在變形過程中，變形體內(nèi)形成紊亂的纖維組織，這有利于提高鍛件的橫向性能，降低各向異性，促進(jìn)鍛件性能的合理分配。

分別設(shè)置了90°、105°、120°、135°四種V形砧，并從心部壓實(shí)效果、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、尺寸精度方面分析比較了四種角度V形砧的成形效果。

⑴不同角度對(duì)鍛件內(nèi)部孔洞閉合效果的影響。

倒棱滾圓工序是鍛件最后成形工序，如果此過程中產(chǎn)生裂紋，沒有后續(xù)的鍛造工序?qū)α鸭y進(jìn)行鍛合。又因倒棱滾圓過程鍛件溫度較低、鍛件熱處理缺陷等原因，極易導(dǎo)致鍛件內(nèi)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，因此倒棱應(yīng)盡量減小拉應(yīng)力，防止裂紋產(chǎn)生。

圖3為不同角度V形砧下鍛件心部相對(duì)密度變化曲線。由圖3可知，120°V形砧倒棱滾圓后鍛件心部壓實(shí)效果最好，105°和135°次之，90°最差。

圖3 不同角度V形砧下鍛件心部相對(duì)密度變化曲線

⑵V形砧角度對(duì)鍛件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的影響。

滾圓工序鍛件壓下量很小，鍛件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)主要由倒棱工序決定，因此對(duì)倒棱后鍛件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。圖4為90°、105°、120°、135°V形砧倒棱后鍛件心部應(yīng)力變化曲線。選取距鍛件端面80mm的橫截面中點(diǎn)作應(yīng)力分析。

可以看出，四種角度形砧在倒棱過程中均產(chǎn)生較大等效應(yīng)力，且靜水應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其中120°時(shí)靜水應(yīng)力最大，135°次之，90°最差，說明120°能更好地鍛合內(nèi)部缺陷。

圖4 不同角度V形砧倒棱后鍛件心部應(yīng)力變化曲線

為獲得良好的鍛件質(zhì)量，對(duì)鍛件進(jìn)行鍛造時(shí)，要求鍛透整個(gè)鍛件，也就是使鍛件產(chǎn)生較大的應(yīng)變。圖5為經(jīng)不同角度V形砧倒棱滾圓后鍛件心部等效應(yīng)變分布圖。

圖5 不同角度V形砧滾圓后鍛件心部等效應(yīng)變圖

從圖5中可看出，90°V形砧滾圓后鍛件心部等效應(yīng)變最小，不利于鍛件內(nèi)部缺陷的愈合；105°和135°V形砧滾圓后鍛件心部等效應(yīng)變較大，均達(dá)到0.3以上；120°V形砧滾圓后鍛件心部等效應(yīng)變最大，對(duì)提高鍛件心部質(zhì)量最有利。因此，使用120°V形砧倒棱滾圓時(shí)，鍛件心部能得到較大的等效應(yīng)變，鍛造效果最好。

⑶不同角度對(duì)鍛件尺寸精度的影響。

為了比較不同角度V形砧的滾圓效果和成形鍛件的尺寸精度，在鍛件截面圓周均勻選取6個(gè)點(diǎn)，對(duì)滾圓后每一點(diǎn)處的半徑值進(jìn)行分析和比較。綜合來看，120°V形砧滾圓后鍛件成形效果最佳。

不同形砧的模擬結(jié)果對(duì)比分析

應(yīng)用Deform-3D有限元軟件，對(duì)M形砧的倒棱滾圓過程進(jìn)行模擬，工藝參數(shù)與V形砧一致，并對(duì)不同形砧的模擬結(jié)果對(duì)比分析。

不同形砧對(duì)鍛件內(nèi)部孔洞閉合效果的影響

為了分析不同形砧倒棱滾圓過程對(duì)鍛件內(nèi)部缺陷的鍛合效果，選取距端面80mm的橫截面上中點(diǎn)，分析其相對(duì)密度變化趨勢(shì)（圖6），研究平砧（壓下率8%）、V形砧（120°）、M形砧對(duì)鍛件內(nèi)部孔洞的閉合效果。由圖6可看出，M形砧倒棱滾圓后心部壓實(shí)效果最好，120°V形砧次之，平砧最差。

圖6 不同形砧倒棱滾圓過程中鍛件心部相對(duì)密度變化曲線

不同形砧對(duì)鍛件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的影響

為了分析砧形對(duì)鍛件倒棱滾圓工藝的影響，分別對(duì)平砧、120°V形砧和M形砧完成壓下后距端面80mm的截面中心點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析和比較。三種形砧完成壓下工藝后，其中心點(diǎn)的應(yīng)力分布見圖7。

圖7 三種形砧滾圓后鍛件心部應(yīng)力分布

從圖7中可以看出，三種形砧壓下后，截面中心點(diǎn)的平均應(yīng)力變化比較大，與平砧相比，120°V形砧心部應(yīng)力增加了12.5%，M形砧增加了45%。從而說明，M形砧壓下后特征點(diǎn)的應(yīng)力為較大的壓應(yīng)力，有利于內(nèi)部孔洞的鍛合。因此，從鍛件內(nèi)部應(yīng)力分布角度來看，M形砧倒棱優(yōu)于平砧和120°V形砧。

通過對(duì)比鍛件經(jīng)三種形砧倒棱滾圓后等效應(yīng)變分布，可得出結(jié)論：鍛件經(jīng)平砧和120°V形砧滾圓后心部等效應(yīng)變較小，但與平砧相比，120°V形砧應(yīng)變量更加均勻，等效應(yīng)變基本成對(duì)稱分布；由于鍛件受到M形砧中間凸起部分壓力的作用，使心部金屬發(fā)生了較大的變形，心部等效應(yīng)變最大，整體應(yīng)變量更加均勻，更容易鍛透內(nèi)部組織，提高鍛件的鍛透性。因此，從鍛件心部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)看，采用M形砧對(duì)鍛件進(jìn)行倒棱滾圓，能夠使鍛件獲得較大的成形壓力，能夠有效地鍛合內(nèi)部組織，消除心部缺陷，提高心部的組織和力學(xué)性能。

不同形砧對(duì)鍛件尺寸精度的影響

為了比較不同形砧的滾圓效果和成形鍛件的尺寸精度，在距鍛件端面80mm的截面圓周上均勻選取6個(gè)點(diǎn)，對(duì)滾圓后每一點(diǎn)處的半徑值進(jìn)行分析和比較。經(jīng)分析，120°V形砧滾圓成形后鍛件截面平均半徑值為91.830mm，其值很接近所需鍛件尺寸，成形效果最好，且標(biāo)準(zhǔn)方差小，表明用120°V形砧倒棱滾圓所得的軸類鍛件截面圓度最佳，尺寸精度最好，M形砧僅次于120°V形砧，平砧倒棱滾圓效果最差。

結(jié)束語

本文通過數(shù)值模擬，對(duì)平砧不同壓下率、V形砧不同角度以及不同砧形下軸類鍛件的倒棱滾圓工藝過程進(jìn)行了分析和比較，并根據(jù)分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

⑴當(dāng)用平砧對(duì)鍛件進(jìn)行倒棱滾圓時(shí)，采用8%的壓下率能得到尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量最佳的成形鍛件。

⑵當(dāng)用V形砧對(duì)鍛件進(jìn)行倒棱滾圓時(shí)，采用120°角的形砧能得到尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量最佳的成形鍛件。

⑶采用M形砧倒棱滾圓能在鍛件內(nèi)部獲得較大的等效應(yīng)變，且應(yīng)變分布均勻，靜水應(yīng)力較大，能夠提高鍛透性。成形鍛件的尺寸精度僅次于120°V形砧。