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      鋼錠開坯過程空洞缺陷閉合過程的數值模擬研究

      2021-11-07 03:22:04范成楨
      大型鑄鍛件 2021年6期
      關鍵詞:壓下量鋼錠鍛件

      郭 倫 郭 猛 范成楨

      (重慶長征重工有限責任公司,重慶400083)

      大型鍛件的技術要求嚴格,綜合力學性能很高,并且要求有良好的內部組織,能否生產出高質量的大鍛件成為了衡量一個國家工業(yè)水平和國防實力的標志之一[1-2]。而由于用于大型鍛件的鋼錠尺寸較大,在鑄造過程中,不同位置的材料溫度不均勻,在冷卻較慢的鑄錠心部區(qū)域因材料凝固收縮而產生縮孔、縮松等空洞缺陷[3]。這些空洞缺陷會破壞金屬基體的連續(xù)性,造成應力集中和裂紋產生,嚴重影響大型鍛件的質量[4]。因此,大型鍛件的鍛造過程,不僅僅是鍛件的成形過程,更重要的是修復缺陷、改善組織的過程[5]。故為了研究開坯過程空洞閉合情況,本文采用DEFORM-3D數值模擬軟件,對單重23 t 34CrNiMoA鋼錠鐓粗過程進行數值模擬,研究空洞在鐓粗過程中的變化規(guī)律,獲得空洞閉合表征參數Q值,然后用Q值判斷拔長過程空洞是否閉合,研究結果對34CrNiMoA鋼錠開坯鍛造具有一定的指導意義。

      1 鐓粗過程空洞演變規(guī)律

      為了研究鋼錠開坯過程空洞的演變過程,對鐓粗過程進行有限元模擬。模擬所用材料為34CrNiMoA材料,鋼錠重量23 t,模型尺寸為?1200 mm×2200 mm,鉗把尺寸?650 mm×800 mm,如圖1所示。為了研究空洞位置對閉合情況的影響,沿模型軸線方向設置7個空洞,空洞直徑約為D/30(D為鋼錠直徑),孔洞位置用P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7表示,且空洞沿軸線均布,如圖2所示。

      圖1 鐓粗模型Figure 1 Upsetting model圖2 孔洞位置圖Figure 2 Hole location

      模擬所用軟件為DEFORM-3D,鐓粗模型有限元網格劃分為200 000,中心細化1/10 000。上、下砧模型如圖3所示,劃分網格數為100 000。模擬參數分別為:工件溫度1250℃,上下砧溫度為300℃,壓下速度20 mm/s,對模具的熱交換系數為2 N/(s·mm·℃),對空氣的熱交換系數為0.02 N/(s·mm·℃),摩擦系數為0.3。

      另外,為了研究空洞閉合情況,現引入參數k來表征空洞的閉合度,如式(1)所示[6]。

      (1)

      式中,d為空洞直徑,hz為空洞在Z軸上的投影長度。當k=1時,表示空洞閉合,此時,hz=0;當k=0時,表示空洞沒有變形,此時,hz=d。

      圖3 上、下砧模型Figure 3 Upper and lower anvil models

      圖4 空洞閉合情況模擬結果Figure 4 Simulation results of cavity closure

      空洞閉合情況的模擬結果如圖4所示。通過測量獲得不同壓下量下各個空洞對應的Z方向投影長度?;跍y量數據和式(1),得到每個空洞的閉合度與壓下量的關系如圖5所示。由圖5可知,隨著壓下量的增大,空洞開始變形,然后閉合;當壓下量為50%時,除難變形區(qū)的P1和P7位置外,其他區(qū)域的空洞全部閉合??斩撮]合的先后順序為P3、P4、P5、P2、P6。

      圖5 閉合度與壓下率的關系Figure 5 The relation between closure and reduction rate

      2 空洞閉合判斷條件

      在變形材料內部的任意位置及變形過程的任意時刻,材料內部孔洞的閉合情況可以用閉合參數Q來表示。其值可由孔洞周圍的應力、應變求得。參數Q與應力、應變之間的關系見式(2)[7]。

      (2)

      式中,εe為等效應變,σm為靜水應力,σe為等效應力。

      將式(2)二次開發(fā)到DEFORM軟件中,借助有限元數值模擬獲得Q值,利用Q值判斷變形過程空洞的閉合情況。

      為了獲得各個空洞變形過程對應的Q值,在DEFORM-3D后處理中輸出P2、P3、P4、P5、P6位置處空洞閉合(對應圖4所確定的壓下量)時的Q值以及壓下量為50%時P1、P7位置處的Q值,如圖6所示。

      圖6 不同位置空洞閉合時的Q值Figure 6 Q values of cavities closed at different positions

      由圖6可知,P2~P6空洞(閉合時的壓下率分別為34%(P3)、35%(P4)、40%(P5)、41%(P2)、46%(P6))閉合時的Q值大約是0.3。另外,當壓下率為50%時,由圖4可知,P1、P7空洞還沒有閉合,而由圖6可知,P1、P7位置處Q值很小,大約在0.025~0.125之間,遠小于0.3。

      3 空洞尺寸對Q值影響

      為了研究空洞尺寸對Q值的影響規(guī)律,現取空洞直徑d分別為鋼錠直徑D的1/10、1/20、1/30、1/40進行研究,空洞位于鋼錠直徑的中心,模擬參數與前面相同,采用平砧進行鐓粗。不同尺寸空洞的模擬結果如圖7所示。

      圖7 不同尺寸空洞的模擬結果Figure 7 Simulation results of cavities of different sizes

      為了研究空洞尺寸對Q值的影響,跟蹤不同尺寸空洞閉合時的Q值,如圖8所示。由圖8可以看出,當空洞尺寸分別為D/、D/30、D/40時,空洞閉合時的Q值都大約等于0.3;當空洞尺寸大于D/20時,空洞閉合時的Q值增大;當空洞尺寸為D/10時,空洞閉合時的Q值達到了0.61。根據實際情況,空洞尺寸一般會小于鋼錠直徑的1/20,故空洞尺寸對Q值基本沒有影響,Q值基本上是一個常數,即Q=0.3。結合前面鐓粗過程的模擬情況可知,將Q=0.3作為空洞閉合的判斷條件。

      圖8 不同尺寸空洞閉合時的Q值Figure 8 Q values of cavities of different sizes when closed

      4 基于Q值的拔長工藝評價

      基于實際鍛造工藝,建立坯料尺寸為?1700 mm×1080 mm,鉗把尺寸為?650 mm×800 mm的有限元模型,坯料示意圖見圖9,劃分網格為200 000。由鐓粗變形過程可知,難變形區(qū)的空洞在鐓粗階段閉合不了,故拔長工藝主要研究鐓粗的難變形區(qū)的空洞在拔長過程的閉合情況?,F在采用Q值來評價難變形區(qū)空洞閉合情況。進行5道次拔長,拔長的工藝參數和變形條件與鐓粗一致。拔長所采用的平砧如圖10。5道次拔長的模擬結果如圖11所示,5道次后變形區(qū)中心區(qū)域的等效應力和靜水應力如圖12所示。為了判斷鐓粗后難變形區(qū)未閉合的空洞在拔長過程中能否閉合,跟蹤鐓粗后難變形區(qū)未閉合空洞處的Q值,得到每道次后的Q值如圖13所示。

      圖9 拔長坯料示意圖Figure 9 Schematic diagram of drawing blanks

      圖10 拔長平砧示意圖Figure 10 Schematic diagram of flat anvil for drawing

      圖11 5道次拔長模擬結果Figure 11 Simulation results of drawing with 5 passes

      由圖12(a)可知,在5道次壓完后,拔長變形區(qū)中心區(qū)域等效應力較大,有利于通過鍛造來消除鍛件心部的缺陷。由圖12(b)發(fā)現,中心區(qū)域的靜水壓力為負,說明該區(qū)域受壓,有利于消除心部缺陷。從圖13可以看出鐓粗后難變形區(qū)未閉合空洞處每道次鍛造后Q值是累增的,第一道次鍛造后其值為0.02,第二道次、三道次、四道次、五道次分別為0.055、0.153、0.229、0.411。由空洞閉合的判斷條件Q=0.3可知,經過5道次拔長,鐓粗難變形區(qū)未閉合的空洞完全閉合了。

      5 結論

      本文采用有限元模擬技術結合實際鍛造工藝,研究了34CrNiMoA材料鋼錠開坯過程空洞演變規(guī)律,得到以下結論:

      (1)通過數值模擬空洞演變過程,鐓粗過程沿軸線的空洞當壓下量為50%時,除難變形區(qū)外,其他部位的空洞都可以完全閉合。

      (2)當空洞直徑不大于鋼錠直徑的1/20時,空洞尺寸對空洞閉合表征參數Q的臨界值基本沒有影響,其值為0.3。

      (3)經過5道次拔長,鐓粗難變形區(qū)未閉合的空洞完全可以閉合。

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