多向模鍛上沖頭偏載原因的分析

王金業，趙文成，李景生

（中國二十二冶集團有限公司，河北 唐山 063000）

多向模鍛件具有尺寸精度高、無飛邊的特點，特別是其鍛造過程中的大塑性變形能夠強烈細化組織，使鍛件的力學性能有很大提高，尤其適合于核電、火電、石油化工中工作條件惡劣的閥體生產制造[1-4]。此外，多向模鍛件的坯料形狀簡單，成形過程中只需坯料一次加熱鍛造成形，大大提高了生產效率，降低了制造成本[5-6]。

企業在生產多向模鍛件特別是深孔多向模鍛件時，上沖頭出現傾斜變形甚至斷裂情況，造成鍛件偏心報廢，給企業帶來巨大經濟損失。本文為分析上沖頭變形斷裂原因，通過有限元模擬分析鍛造過程中上沖頭承受偏載載荷情況，為鍛造企業的工藝設計提供一定的指導作用。

1 材料及方法

本文以A105材質的4口寸三通鍛件為例，如圖1所示，鍛件總高為447mm，垂直沖孔深度350mm，沖孔深度為鍛件總高度的78.3%。坯料直徑為240mm，鍛造時，坯料軸心與上沖頭軸心最大偏距為10mm。

圖1 鍛件尺寸示意圖

文中模擬采用1/2模型，模具材質為H13，模具溫度設置為200℃，模具運行速度為25mm/s。坯料與模具之間的摩擦系數為0.15，坯料與模具之間的熱交換系數為8N/sec/mm/℃，環境溫度為20℃，坯料與空氣的熱交換系數為0.028N/sec/mm/℃，在此條件下分別對間隙、坯料溫度和垂直沖孔深度三個方面進行有限元模擬，分析了上沖頭在鍛造過程的偏載載荷情況。

2 模擬結果及討論

2.1 間隙對上沖頭偏載情況影響

由于坯料直徑與模具最后形成直徑尺寸存在20mm間隙，在實際生產過程中，坯料放置時無法實現坯料軸線與上沖頭軸線完全重合，兩個軸線之間必然存在一定量的間隙，假設坯料臨近最左側放置，此時兩軸線偏距最大10mm間隙，采用采用有限元模擬分析如圖2所示。

由圖2a可以看出，坯料軸線與上沖頭軸線偏距10mm的間隙時，垂直沖孔結束后，坯料金屬向兩側流動沒有明顯差別，此時上沖頭承受最大的偏載載荷為0.23MN。繼續進行水平沖孔至沖孔結束，上沖頭承受的最大偏載載荷為1.29MN,如圖2b所示。

從模擬結果可以說明，間隙的存在，在鍛造過程中確實使上沖頭承受偏載載荷，但最大偏載載荷為1.29MN，相對于上沖頭在鍛造過程中的所承受的總體載荷很小，因此分析認為其長期往復作用是導致上沖頭傾斜變形甚至斷裂的原因之一。

2.2 坯料溫度對上沖頭偏載情況影響

在熱鍛成形過程中，受溫度影響非常巨大[7-8]，坯料的始鍛溫度越高，塑性越好，金屬的變形抗力越小，越有利于鍛造成形。但是在生產過程中，坯料在中頻爐加熱過程中，與中頻爐爐膛冷卻水管接觸造成坯料局部溫度降低，現場實際測得坯料局部始鍛溫度有15～20℃的降低。假設坯料始鍛溫度為1120，局部條狀溫度為1100℃，如圖3所示放置，此時進行有限元模擬鍛造過程示意圖如圖4所示。

圖2 軸心偏距10mm時鍛造過程模擬

由圖4a可以看出，垂直沖孔結束后，左側坯料金屬量明顯多于右側，此時上沖頭偏載力為0.57MN，繼續進行水平沖孔至水平沖孔結束，上沖頭承受的偏載力最大為2.54MN，如圖4b。分析認為，如圖3所示坯料右側金屬溫度略低，金屬變形的抗力要比左側大，在垂直沖孔過程中，坯料金屬更傾向于向左流動，沖孔結束后，左側金屬量明顯多于右側，水平沖孔過程中，由于金屬含量一定，要完成鍛件最后成形，左側多余金屬要向右側流動，對上沖頭造成偏載。相較于間隙10mm時上沖頭的偏載載荷，局部溫度降低20℃時上沖頭承受的偏載載荷更大，幾乎是間隙10mm時上沖頭偏載載荷的2倍。同樣2.5MN偏載載荷相對于上沖頭鍛造過程中的整體載荷較小，不足以一次使上沖頭發生傾斜變形甚至斷裂，但其長期往復作用也是上沖頭傾斜變形甚至斷裂的另一原因，且比間隙影響要大。

圖3 坯料放置示意圖

圖4 局部溫差20℃鍛造過程模擬

2.3 垂直孔深對上沖頭偏載情況影響

從圖1鍛件尺寸圖及2.1、2.2分析可以看出，垂直沖孔深度在水平孔中心線之下，所以出現造成水平沖孔時，金屬移動造成上沖頭承受偏載載荷，如果垂直沖孔的深度減小，上沖頭的偏載會相應減小。表1為在2.2局部溫度降低情況下，采用有限元模擬分析不同垂直孔深度時上沖頭所承載的偏載載荷。

表1 垂直孔不同深度時上沖頭的最大偏載載荷/MN

表中數據說明垂直孔深度越小，上沖頭承受的偏載載荷越小。分析認為當垂直沖孔深度減小，在水平沖孔過程中，坯料金屬多的一側會向少的一側流動，此時由于上沖頭對金屬流動阻力減小，根據力的相互作用，上沖頭承受的偏載載荷相應減小。當垂直孔深減小20mm時，水平沖孔結束后上沖頭的偏載載荷為2.78MN，是沖孔深度為350mm時的55%。企業經后續工藝模擬設計，與顧客協商將垂直沖孔深度減小為330mm，根據鍛件檢驗數據統計發現，鍛件的偏心情況有明顯好轉，上沖頭的傾斜變形也有改善，這證明通過減小垂直沖孔深度的方式減小上沖頭偏載載荷是有效的，即降低了鍛件的偏心報廢，提高了鍛件產品的成品率，同時上沖頭的使用壽命也有所提高。但是減小垂直沖孔深度后，坯料的重量及鍛件的后續加工量、加工時間等都會相應增加，顧客的生產成本有一定變化。因此，在工藝模擬設計時，要綜合考慮鍛件產品的成形質量及模具的使用壽命，以保證鍛造企業與顧客雙方利益。

3 結論

通過對A105材質4吋三通鍛件的有限元模擬分析，間隙和坯料局部溫度降低都會造成上沖頭承受偏載載荷，但是坯料溫度影響要大，分析認為兩個因素的存在是鍛件偏心和上沖頭傾斜變形甚至斷裂的主要原因。適當減小垂直沖孔的深度，上沖頭承受的偏載載荷會有顯著降低，但是垂直沖孔深度確定要綜合考慮以取得鍛造企業和顧客的雙方認可。

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