減小電鐓下沉深度與混晶改善的增材調控研究

戴魏魏 蔣立鶴 權國政 余炎澤

摘要：在電鐓成型時，尤其是大型件的成型時，為了獲得所要求的“蒜頭”直徑，往往會造成坯料前端的下沉缺陷。下沉缺陷的存在，一方面，大的下沉深度會使坯料端面晶粒分布極其不均勻，出現混晶;另一方面使坯料在后續的模鍛成型時出現閉氣問題。通過增材調控的方法，不僅能使下沉深度減小，而且可以使電鐓端面的混晶區域的晶粒趨于均勻化，大大提升了電鐓件的質量。

Abstract： In the process of electric upsetting forming， especially in the forming of large workpiece， to obtain the required "bulb" diameter， the sink defect of the front end of the billet is often caused. The existence of subsidence defects， on the one hand， large subsidence depth will make the end surface of the billet grain distribution is extremely uneven， mixed crystal; On the other hand， the billet is closed in the following forging process. By means of control of additive， not only the sinking depth can be reduced， but also the grains in the mixed crystal area of the electric upsetting end face tend to be uniform， which greatly improves the quality of the electric upsetting workpiece.

關鍵詞：增材調控;下沉深度;混晶;電鐓

Key words： additive control;sinking depth;mixed crystal;electric upsetting

中圖分類號：TG316 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0109-02

0 ?引言

在工業技術飛速發展的時代，塑性成型工藝不僅僅要求工件具有高的尺寸精度，同時也看重工件力學性能的優良[1-2]。在電鐓成型時，為了獲得所要求的“蒜頭”直徑，需要較大的鐓粗力和加載電流，這往往會造成坯料前端的下沉缺陷。一方面，大的下沉深度會使變形體端面晶粒分布極其不均勻（蒜頭頭部中心晶粒粗化，而外邊緣為細晶，出現明顯的混晶區域）;另一方面使工件在后續的模鍛成型時出現閉氣問題。故減小下沉深度，改善晶粒不均勻分布對電鐓件的質量有重大影響[3-4]。

從1928年電鐓工藝提出之后，關于電鐓工藝的研究也相應展開。尹希猛等人詳細分析了工藝參數對電鐓件的成形質量的影響[5]。何洪波對電鐓過程中金屬流動、溫度分布及電阻變化進行了詳細的研究，同時探討電鐓成形中出現的主要缺陷及原因[6]。肖小亭、孫友松等人探究了坯料在電鐓過程中的缺陷（包括下沉、表明波紋等）及缺陷產生的原因，就電鐓成形缺陷提出了檢測缺陷的方法[7]。周小偉依據實際的電鐓工藝產生的成形缺陷，探究了缺陷的成因，同時對每個缺陷提出了相應的防治措施并提出智能控制工藝參數的觀點[8]。

上述學者們的研究工作主要集中在電鐓工藝分析、電鐓宏觀缺陷分析，研究各個電鐓工藝參數對電鐓件宏觀質量的影響，并依據相應的作用改進和優化工藝參數。然而，對于變截面率較大的氣閥，難以從工藝參數方面改善其下沉與晶粒不均勻的問題，因此，提出一種新的工藝方法是很有必要的。

1 ?增材調控的電鐓工藝原理

大型件的成型時聚料多，變截面大，需要更大的鐓粗力和加載電流，易使電鐓過程坯料前端材料變形不均勻，形成下沉缺陷，變形體端面晶粒尺寸不均勻等問題。根據問題產生的結果分析，考慮在電鐓坯料前端增材一圈較薄的輔料，以抑制電鐓坯料心部的變形，在電鐓過程結束后，去除輔料部分，獲得所需要的電鐓件。

增材調控有限元模型示意圖如圖1所示，在電鐓時，砧子電極2與夾持電極5通過接觸電阻和自身電阻加熱，冷端的坯料與增材材料在鐓粗缸7和砧子電極2的速度差的作用下被送入砧子電極2與夾持電極5之間的加熱區域，使坯料和增材材料逐漸發生塑性變形，同時完成局部精準連續聚料。在本發明中，在坯料6的端面外圈進行增材，形成一層較薄的增材材料8，倒圓角后，在鐓粗力與加載電流的共同作用下，坯料與圓角一起變形。

2 ?增材調控有限元模型建立

坯料所用材料為Ni80合金，增材所用材料為2Cr21NI12N。對于材料性能的要求是，坯料電阻率更小，通電時，電流更多從增材處流過，而且增材處變形更困難，這樣利于減緩坯料頭部中心的變形。

在此次具體實施方式中，采用桿坯直徑為56mm，長度為1500mm，電鐓中坯料的總行程為1250mm進行電鐓模擬。在電鐓未開始前進行增材與倒圓角的工藝操作，前端倒圓角半徑為R15mm。

共設計三個增材調控方案和一個原始方案，具體方案如下所示。原始方案：只對坯料端部倒圓角，進行常規電鐓成型加工;方案一：在坯料外圈進行增材，增材厚度為2mm，長度為40mm;方案二：在坯料端部與外圈進行增材，增材厚度為2mm，長度為40mm;方案三：在坯料端部與外圈進行增材，其中端部增材部位為20mm至56mm的圓環處，厚度為2mm，在外圈增材厚度為2mm，長度為40mm。

增材后倒圓角半徑為15mm，用相同的電鐓工藝參數模擬，并對相同的時刻進行結果對比與分析。

3 ?調控結果分析

3.1 下沉深度改善

電鐓時，由于增材材料的電阻率小于坯料材料，即增材處的導電能力強于坯料，因此電鐓時電流更傾向于從增材處流過。另外，由于增材材料相對于坯料變形更難，電鐓后續的聚料更多會聚在與增材材料相接觸的頭部，使得頭部直徑增大。同時，坯料端部中心的變形相對也會減小，進而使得下沉深度減小。

相比于原始的電鐓結果，增材后的電鐓結果中不僅下沉深度均有不同幅度的減小，而且溫度都有10℃左右的下降。不同方案之間的下沉深度如表1所示，其中方案1的下沉深度減小最為顯著，減小了3.1mm，方案2的下沉深度減小相對較小，減小了0.84mm。因此，在坯料端部進行增材可以明顯減小下沉深度。

3.2 晶粒細化及混晶改善

我們可以很直觀的觀察到，原始方案中端面區域的晶粒極值差最大，三個增材后的方案其端部的晶粒尺寸變化則較為平緩。不同方案之間晶粒極值對比如表2、圖2所示，原始方案的極值差為46.28762，方案一的極值差為37.70208，方案二的極值差為28.9319，方案三的極值差為28.0507。結果表明三種改良方案均可以使電鐓端面的混晶區域的晶粒趨于均勻化。因此，在坯料端部進行增材可以明顯細化電鐓件端面的晶粒，并使晶粒趨于均勻化，有利于電鐓件質量提升。

4 ?結語

本文進行了減小電鐓下沉深度與促進晶粒細化及混晶改善的增材調控方法的數值模擬，分析了增材調控方案對電鐓下沉深度的減小和晶粒細化與混晶改善的影響，并對比了不同增材調控方法之間的差別。本文主要研究內容及結論如下：①本文建立了增材調控電鐓工藝的有限元模型并成功模擬，同時設計了三種增材調控方案，并進行了全水平模擬，分析了增材調控方法對減小電鐓下沉深度與促進晶粒細化及混晶改善的幫助。②本文討論了不同增材調控方案下的下沉深度減小與晶粒細化及混晶改善效果。相比于原始的電鐓結果，增材后的電鐓結果中不僅下沉深度均有不同幅度的減小，而且可以使電鐓端面的混晶區域的晶粒趨于均勻化。證明了增材調控方案的有效性。

參考文獻：

[1]陳文，梁升，段發明.氣門電鐓成形的常見缺陷原因及處理[J].機械工人，2005（6）：73-74.

[2]權國政，潘佳.大規格電鐓技術研究方法及研究目標的新突破及進展[J].精密成形工程，2014（5）：18-24.

[3]Jun Yanagimoto， Ryo Izumi. Continuous electric resistance heating—Hot forming system for high-alloy metals with poor workability [J]， Journal of Materials Processing Technology， 2009， 209（6）： 3060-3068.

[4]Sun Y.， Liu T.， Zhang Z.， Luo T.. Optimum control of process parameters in electrical upsetting [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B-Journal of Engineering Manufacture， 2003， 217（9）： 1259-1263.

[5]尹希猛，王運贛，等.氣門電鐓過程的參數分析及其微計算機控制[J].鍛壓技術，1986（4）：8-13.

[6]何洪波.電鐓成形分析及其缺陷成因探討[J].金屬成形工藝，1990（1）：36-44.

[7]廉迎戰，劉敬余，楊欣榮.電鐓過程電氣特性分析與智能控制研究[J].中南工業大學學報：自然科學版，1999（03）：318-321.

[8]孫友松，劉天湖，章爭榮，等.發動機氣門電鐓參數的控制[C].第八屆全國塑性加工學術年會論文集.2002：101-105.

基金項目：重慶市基礎研究與前沿探索項目（cstc2018jcyjAX0459）。

作者簡介：戴魏魏（1976-），男，江蘇鹽城人，研究生，南京中遠海運船舶設備配件有限公司副總經理，主要從事材料熱塑性成形研究。