基于Forge仿真軟件的鑄錠鐓粗工藝過程數值模擬

李國洲 ，馬鵬翔 ，王炳正 ，楊 武 ，王旭明 ，李七平 ，袁玲道 ，李 慧

（1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730314；3.蘭州蘭石鑄鍛有限責任公司，甘肅 蘭州 730314）

傳統鍛造工藝借助于生產實踐經驗，通過不斷試錯的方法得到比較符合要求的工藝，過程中會產生大量廢品，既浪費原材料，又增加了產品的生產周期，使成本大幅度上升。隨著科學技術的發展，有限元模擬分析技術在鍛造生產中得到了廣泛應用，本文借助法國Transvalor公司開發的Forge數值模擬軟件，以有限元思維模擬鑄錠鐓粗工藝過程，通過模擬對鐓粗過程的溫度場，應力、壓機載荷等情況進行分析，為鑄錠開坯過程提供合理噸位的壓機和工藝[1～6]。

1 工藝概述

本文采用漏盤鐓粗工藝進行模擬仿真，工藝共分為三步：

（1）壓鉗口：將冒口端壓成鉗口，便于機械手夾持；

（2）倒棱：將鑄錠倒棱，除氧化皮并防止鑄錠在鐓粗過程中可能沿棱邊開裂；

（3）漏盤鐓粗：將鉗口置入漏盤，避免冒口端鐓入鍛件內部，形成缺陷。

模擬工藝如下：

（1）將鑄錠冒口端壓方至漏盤可容納的規定尺寸；

（2）將鑄錠倒棱至大小頭直徑一樣；

（3）用蓋板進行鐓粗，鐓至壓機速度明顯變慢為止。

一火次成形模擬：

Pa——壓機速度恒定（30mm/s）；

Pb——變速度（50-40-30mm/s）。

兩火次成形工藝（鐓粗前加熱）：

Pc——壓機速度恒定（30mm/s）；

Pd——壓機速度恒定（30mm/s，多步鐓粗）；

Pe——變速度（50-40-30mm/s）。

后續文章中五種工藝分別用 Pa、Pb、Pc、Pd、Pe表示。

2 參數設置

鑄錠材料為H13執行標準GB/T1299-2014，其成分與軟件材料數據庫中40CrMoV5-1.2344（德標）對應，成分見表1所示。

表1 材料化學成分（質量分數/%）

圖1為鑄錠的三維模型，約20t，錠型為典型梅花錠。圖2所示為網格劃分模型，有限元模型分為三部分：上模、鑄錠、下模。鑄錠鍛造溫度區間：1250℃～850℃，平砧預熱至200℃。

圖1 20t鑄錠三維模型

圖2 有限元模型網格劃分

3 模擬結果分析

圖3為不同鐓粗方式時鑄錠溫度分布云圖，對比分析，一火次鐓粗時，壓鉗口和倒棱過程消耗時間較長，接近終鍛溫度，變形抗力增大，容易達到壓機最大噸位。而兩火次鐓粗時，將鑄錠回爐加熱至始鍛溫度，一方面鐓粗過程中不易產生裂紋，另一方面，溫度較高時，同一壓力鐓粗，鑄錠的變形較大，更容易成形。

圖4為不同鐓粗方式時鑄錠應力分布圖。根據應力分布圖可以看出，一火次鐓粗時，勻速30mm/s（a）的最大應力明顯大于變速 50-40-30mm/s（b），說明變速度鐓粗更有利于成形。通過對比不同火次鐓粗過程應力分布，可以看出：兩火次鐓粗（c）應力小于一火次鐓粗（a）過程，這是因為一火次鐓粗時，在邊緣及表面區域形成低溫區域，使應力集中不能釋放，在下壓過程中，鑄錠容易出現裂紋。而兩火次鐓粗時，前期倒棱過程形成的應力在加熱過程得以釋放，不易產生裂紋[7-9]。

①前期壓鉗口、倒棱（包括進給旋轉等待時間）用時314s，通過對比Pa和Pb方式，一火次鐓粗時，壓機速度 30mm/s時，1次可壓下 617mm，用時314+21s=5min35s，上模具所受最大壓力為7536.8t；以不同壓機速度50-45-40mm/s可壓下1080mm，用時314+95=6min49s，上模具所受最大壓力為7580.1t。結果表明：以不同壓機速度進行鐓粗時，壓下量明顯大于恒定速度進行鐓粗，說明壓機速度對壓下量有一定的影響，設備額定參數要求范圍內，通過變速進行鐓粗，可以滿足要求。

圖3 不同鐓粗方式時鑄錠溫度分布云圖

圖4 不同方式鐓粗時鑄錠應力分布圖

表2 不同鐓粗形式參數對比

②通過對比Pc、Pd和Pe方式，兩火次鐓粗時，壓機速度30mm/s時，一次可壓下767mm，用時314+26s=5min40s，上模具所受最大壓力為7523.8t；以30mm/s壓機速度多次總共可壓下761mm，用時314+121=7min15s，上模具所受最大壓力為7707.1t；以不同壓機速度50-40-30mm/s可壓下1080mm，用時314+58=6min12s，上模具所受最大壓力為7584.2t，結果表明：在變速度情況下，可以滿足成形要求。通過對恒定壓機速度一次鐓粗與多次鐓粗模擬對比，壓下量沒有明顯變化。

③通過對比Pb和Pe（或Pa和Pc）方式，不同火次鐓粗，兩火次鐓粗壓下量大于一火次的，當鐓粗到目標尺寸時，兩火次所需壓機噸位較小，對設備而言，不建議長時間滿負荷運行。

圖5為上模具受力示意圖，由圖可以看出壓機在鐓粗過程的壓力隨時間變化趨勢和最大壓力值。根據最大力和時間的關系可以判斷此過程是否合理，選擇壓機噸位是否合適。

圖6為11t材質為H13鑄錠在50MN壓機上現場鐓粗圖，通過前期模擬計算，最終采用兩火次進行鐓粗。本次75MN壓機鑄錠鐓粗模擬過程參照前期50MN壓機實際生產。

4 結論

通過利用Forge模擬軟件對不同壓機速度、不同方式鐓粗、不同火次等進行鐓粗過程模擬，可以得出以下結論：

（1）鐓粗過程中，時間越長，溫度下降越快，但在多火次鍛造時，一方面鑄錠需要加熱，消耗能量，延長產品生產周期；另一方面有一定的燒損量。因此，在鐓粗過程中應綜合考慮鍛造火次。

圖5 上模具受力示意圖

圖6 現場鑄錠鐓粗圖

（2）通過不同壓機速度進行鐓粗，可以提高一次成型的可能性，提高效率。

（3）20t材質為H13的鑄錠在75MN壓機進行鐓粗時，建議進行兩火次鐓粗，可以減輕壓機所受負荷，延長壓機壽命。

（4）通過鑄錠鐓粗過程仿真模擬，有效的指導鑄錠開坯工藝的制定，為實際生產過程及壓機的選擇提供合理的理論依據。