大型鋼錠LZ鍛造工藝參數(shù)制訂

■中國第一重型機械股份公司軋輥研究所 曹明，栗文鋒，韓笑宇

大型鋼錠LZ鍛造工藝參數(shù)制訂

■中國第一重型機械股份公司軋輥研究所 曹明，栗文鋒，韓笑宇

LZ鍛造法是同時用料寬比(L)和砧寬比(Z)控制鍛造的工藝方法。通過對我公司大型鋼錠鍛造過程中內(nèi)部應(yīng)力的分布進(jìn)行分析，得到了變形區(qū)內(nèi)軸向、橫向應(yīng)力的變化及分布狀況，進(jìn)而得到了不同砧寬比、料寬比時滿足大型鋼錠鍛件心部一定區(qū)域內(nèi)為三向壓應(yīng)力的臨界壓下率。

1. 計算模型的建立

利用有限元軟件，模擬LZ鍛造時鍛件中部進(jìn)行變形時的情況。采用材料為YB-XX，此鋼種現(xiàn)已成功應(yīng)用于我公司超大型鍛鋼支承輥。鋼錠規(guī)格為5000支承輥時采用的500t級鋼錠。FM法使用上砧寬度2000mm，根據(jù)砧寬比、料寬比不同要求，設(shè)定模擬坯料的具體尺寸。砧子與鍛件之間的摩擦因數(shù)取0.4。滿砧送進(jìn)時，砧寬比是指砧寬w與鍛件變形前高度h之比；非滿砧送進(jìn)時，砧寬比是指相對送進(jìn)量l與鍛件變形前高度h之比。料寬比是指料寬b與鍛件變形前高度h之比，計算模型如圖1所示。本次模擬砧寬比w/h取0.5、0.6、0.7、0.8 四組，料寬比b/h 取0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2共八組，模擬時壓下率Δh/h均為40%。

圖1　計算模型

2. 已知砧寬比、料寬比確定臨界壓下率評定標(biāo)準(zhǔn)

以點M (x=0, y=0, z=0.25b)處軸向應(yīng)力為-5MPa時鍛造壓下率作為臨界軸向壓下率，以點P (x=0.5w, y=0, z=0)處橫向應(yīng)力為-5MPa時的鍛造壓下率作為臨界橫向壓下率，比較符合實際情況。選擇-5MPa作為臨界壓下量的應(yīng)力值是因為軸向（橫向）應(yīng)力由正值變?yōu)?時，并不足以彌補此處初始拉應(yīng)力給該部位造成的不良影響，當(dāng)軸向（橫向）應(yīng)力減小至-5MPa后，既可以使鍛件心部質(zhì)量逐步得以改善，同時又可避免變形量過大給鍛造壓實工序帶來的操作難度。

3. 臨界軸向壓下率確定

料寬比、砧寬比不同，使M

點處的軸向應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力的臨界軸向壓下率不同，即在不同砧寬比、料寬比條件下，都存在著一個使軸向應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力的臨界軸向壓下率a%，它是料寬比及砧寬比的函數(shù)。通過對我公司500t級鋼錠在不同砧寬比、料寬比下單砧壓下情況進(jìn)行模擬，得到不同砧寬比臨界軸向壓下率與料寬比關(guān)系，曲線如圖2所示。

由圖2可知，臨界軸向壓下率隨料寬比的不同呈現(xiàn)出兩種不同變化規(guī)律，即當(dāng)砧寬比≤0.6時，臨界軸向壓下率隨料寬比的增加而增加，當(dāng)砧寬比＞0.6時，臨界軸向壓下率隨料寬比的增加而減小。在料寬比相同時，臨界軸向壓下率大體上隨砧寬比的增加而逐漸減小，說明砧寬比增加有利于減小M點軸向應(yīng)力。

4. 臨界橫向壓下率確定

砧寬比、料寬比不同，使P點處的橫向應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力的臨界橫向壓下率也不相同，即在不同砧寬比、料寬比條件下，都存在著使橫向應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力的臨界橫向壓下率b%，它是砧寬比與料寬比的函數(shù)，通過計算機模擬，得到不同砧寬比下的臨界橫向壓下率與料寬比關(guān)系，曲線如圖3所示。

由圖3可知，隨料寬比的增加，臨界橫向壓下率呈逐漸減小趨勢。即說明料寬比增加，有利于減小P點橫向壓應(yīng)力。當(dāng)料寬比固定不變，砧寬比發(fā)生變化時，臨界壓下率并未呈現(xiàn)出清晰的變化規(guī)律。

5. 合理工藝參數(shù)確定

只有使中心一定區(qū)域內(nèi)的軸向、橫向應(yīng)力都為壓應(yīng)力，才能保證鍛件質(zhì)量。對應(yīng)力分布規(guī)律的研究表明，在橫向?qū)ΨQ中心軸線上，隨著離中心點的距離增大，軸向應(yīng)力也增大；在縱向?qū)ΨQ中心軸線上，隨著離中心點的距離增大，橫向應(yīng)力也增大。所以，確定工藝參數(shù)時，以中心點處軸向、橫向應(yīng)力為壓應(yīng)力時的砧寬比、料寬比及壓下率來確定鍛造工藝參數(shù)，并不能保證中心一定區(qū)域（橫向距中心0.25b，縱向距中心0.5w）內(nèi)都為壓應(yīng)力。應(yīng)結(jié)合砧寬比、料寬比及壓下率，確定出合理的滿足上述條件的LZ鍛造法工藝參數(shù)。根據(jù)我公司FM法所使用的附具及500t級鋼錠基本尺寸規(guī)格，通過模擬計算得到具體壓下工藝參數(shù)，如圖4所示。

由圖4所示，隨著料寬比的增大，臨界壓下率呈逐漸減小趨勢，說明臨界橫向壓下率對于臨界壓下率的影響更為明顯，即料寬比參數(shù)對于鍛件心部壓實效果的影響更明顯。但同時，我們也觀察到，當(dāng)采用FM法鍛造時，砧寬比為0.6時，臨界壓下率的變化最為平緩，這也證明了砧寬比等于0.6時，鍛件的變形較為均勻一致，有利于工藝的編制及現(xiàn)場操作，應(yīng)作為最佳砧寬比的選擇范疇。

圖2　臨界軸向壓下率與料寬比關(guān)系

圖3　臨界橫向壓下率與料寬比關(guān)系

圖4　大型鋼錠FM壓實臨界壓下率與料寬比關(guān)系曲線

6. 結(jié)語

以往工藝中對FM法操作說明多為相同壓下量、重復(fù)相同的翻轉(zhuǎn)方式等，這樣籠統(tǒng)的設(shè)置在實際操作時雖簡化了某些現(xiàn)場操作，但卻未及時考慮到料寬比對橫向應(yīng)力的影響。既有可能造成未達(dá)到所需鍛造壓下量影響鍛造壓實效果，又可能造成壓下量過大，對鍛件翻轉(zhuǎn)造成難度，同時又加大了鍛件翻轉(zhuǎn)后的壓下量要求，造成鍛造工序的惡性循環(huán)，能源的大量消耗及設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p耗。對此，我們應(yīng)盡快將LZ法工藝參數(shù)精細(xì)化，將其應(yīng)用于現(xiàn)有大型鍛件多采用的FM鍛造方法中，通過最實用和簡潔的方法來提升大鍛件的質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

20150716