基于DEFORM 大型筒體件鍛造工藝改進方面的研究

何利東，李海榮，張澤磊

（四川工程職業技術學院 材料系，四川 德陽618000）

1 引言

大型筒體件是核電、石化、水電等能源領域重大技術裝備的核心零部件，產品質量直接影響到重大裝備的運行可靠性。以核反應堆壓力殼（Reactor Pressure Vessel，RPV）大型鍛件為例（圖1），由于其要長期承受高溫高壓和放射性輻照，為保證核電站安全運行，所以RPV 必須達到各種嚴格的性能要求。在RPV 的成形制造過程中，組織性能控制，即晶粒細化和晶粒均勻化控制，成為保證產品質量的關鍵所在。鍛造工藝既能使產品外觀初步成形，消除鑄態組織及內部缺陷，同時使晶粒細化、均勻化[1]。擴孔的作用是減小空心坯料壁厚使其外徑和內徑同時增大，是鍛制RPV 過程中比較重要的成形工步。但目前工程上制定擴孔工藝時大都使用經驗數據，對其的認識基本上還處于定性階段。

圖1 核反應堆壓力殼結構意圖

本文簡述了DEFORM 仿真技術在大型筒體件擴孔工藝研究方面的應用，其研究結果對目前RPV鍛件工藝的制定具有參考價值，而且驗證并豐富了傳統金屬塑性成形理論。

2 RPV 的實際生產工藝及基于DEFORM 擴孔工藝研究方案設計

上海重型機械廠（SHMP）鍛造600MW RPV 大型筒體件一般采用如下的典型工藝：鐓粗（1250℃）→沖孔（1230℃）→擴孔（1230℃）→反復鐓擴（1220℃）→拔長（1220℃）→擴孔（1100℃）。RPV 的材料采用16MnD5，類似于國外的ASME SA508cl.3,表1 為該鋼種成分表[2]。ASME SA508cl.3 是一種低碳、低合金、高強度、高韌性的合金結構鋼，具有良好的可鍛性和可焊性，其高溫力學性能完全符合RPV 的制造條件要求。

表1 ASME SA508cl.3 鋼成分（%，質量分數）

目前鍛造業界越來越重視晶粒結構對RPV 產品最終性能的影響，并逐步采取工藝措施細化晶粒組織，均勻晶粒分布。研究表明，鍛件晶粒度跟該處的等效應變成正比關系，即該處的應變越大，其動、靜態再結晶百分數越大，其晶粒越細小，圖2 的實驗照片清楚地顯示了晶粒度與等效應變的這種關系[3]。同時，研究也表明變形越均勻，鍛造得到的晶粒組織也越均勻。

圖2 晶粒度與變形大小的關系實驗照片(左→右：等效應變逐漸變小，晶粒組織逐漸變粗）

圖3 DEFORM模擬擴孔變形的三維示意圖

本文針對大型筒體鍛件的實際生產工藝，采用DEFORM仿真對擴孔變形的特征和機理進行了定量的探索研究，以求獲得最佳的工藝參數，使鍛件內部盡可能得到較好的應變分布，獲得良好的鍛造效果。圖3 為用DEFORM模擬擴孔變形的三維示意圖。在數字模擬建模過程中，根據相似理論的原理，確定幾何模型尺寸及各熱加工參數，這樣得到的結果才有實際參考價值[4]。具體方案為，建立一組不同形狀因子的筒體狀幾何模型：（D-d）/H，式中，D 為鍛件外徑，d 為鍛件內徑，H 為鍛件高度，如圖4 所示，模擬不同形狀因子、砧寬比、鍛造溫度及不同壓下率條件下擴孔變形過程，從而確定擴孔工藝的優化參數。根據SHMP 的ESR 鋼錠尺寸而設計的幾何模型尺寸為?80mm×56mm，H/D=0.7,實物模型大小比例為34:1。模型沖孔后內徑d 為?48mm，3 個擴孔模型的形狀因子（D-d）/H 分別為0.57、0.95 和1.44，相當于ESR鋼錠分別鐓粗0%、21.4%及35.7%后再芯軸擴孔，由于其形狀因子不同，擴孔變形的應力應變狀態也不同，因而對擴孔的變形效果產生影響，本文將研究這種影響作用。DEFORM 模擬擴孔變形后將輸出2D/3D 數據結果以進行分析。

圖4 不同擴孔形狀因子的幾何模型尺寸

3 基于DEFORM 大型筒體件擴孔工藝仿真研究輸出結果分析

3.1 擴孔變形數據后處理得到的幾種輸出結果

以幾何模型?80×56 擴孔壓下率10%為例，圖5表示沿模型子午面分布的變形破壞值等值線圖，破壞值越大，表示工藝變形出現裂紋破壞的可能性越大，擴孔鍛件端部應力狀態欠佳，出現拉應力分量，當超過材料的抗拉強度時即出現裂紋。破壞值越小，表示變形越安全。

圖5 幾何模型?80×56 擴孔壓下率10%變形破壞值沿子午面分布圖

圖6 表示等效應變等值線沿模型子午面的2D分布圖。圖7 則表示等效應變在模型中的3D 分布圖及各部分的體積百分率圖表。根據等效應變分布圖可以看出擴孔變形分布特征。擴孔鍛件子午面大變形區域位于靠近擴孔內壁的長條形區域，而其余靠近筒體件外壁的長形區域為小變形區或剛性區。也就是說，得到足夠變形的大區域（即等效應變大區域比例部分）鍛造效果較好，晶粒組織較細小。圖8 為使用坐標網格法繪制的擴孔形狀因子0.95 壓下率7.5%等效應變大區域分布圖，可見跟DEFORM仿真的結果是一致的。

圖6 幾何模型?80×56 擴孔壓下率10%等效應變等值線沿子午面分布圖

圖7 幾何模型?80×56 擴孔壓下率10%等效應變分布立體圖及各部分百分比例圖表

圖8 基于坐標網格法繪制的試件?90×44擴孔壓下率7.5%等效應變大區域分布圖

芯軸擴孔的變形特點有點近似于拔長，它是環形坯料沿圓周方向的拔長，是局部加載，整體受力。坯料變形區呈扇形，與芯軸接觸面積較窄，與上砧接觸面較寬，根據最小阻力定律，變形區的金屬主要沿切向方向流動。坯料擴孔變形，相當于受到上平砧和下凸砧的壓縮作用，由于坯料與上砧和芯軸存在摩擦阻力，因而坯料子午面應變分布類似于鐓粗的變形特征，但大變形區往芯軸（下凸砧）偏移。

圖9 表示幾何模型?80×56 擴孔壓下率10%載荷隨時間變化情況。該載荷反映了擴孔金屬材料變形抗力大小，取決于金屬材料種類、鍛造溫度、擴孔形狀因子、變形速率及工具形狀等因素，該載荷越小，需要設備噸位越小，需要的能耗少，說明加工越容易，該指標也可用于各工藝好壞的對比分析。

圖9 幾何模型?80×56 擴孔壓下率10%載荷隨時間變化圖表

3.2 鍛件形狀因子對擴孔變形的影響

圖10 表示擴孔破壞值跟工件形狀因子的關系圖表。從圖表看出，形狀因子越大，變形越安全，變形出現裂紋等缺陷的可能性變小。

圖10 擴孔變形破壞值跟形狀因子的關系圖表

圖11 表示鍛件子午面分布的等效應變均值跟其形狀因子的關系圖表。由圖看出，形狀因子越大，應變場等效應變均值越低，說明金屬流動越困難。

圖11 等效應變均值與形狀因子的關系圖表

圖12 表示等效應變大區域比例與形狀因子的關系圖表。等效應變大區域比例是評價鍛造效果的指標，該指標越大，變形效果及均勻性越好。由圖看出，鍛件形狀因子越大，等效應變大區域比例降低，說明變形效果變差。

圖13 表示擴孔載荷與鍛件形狀因子的關系圖表。由圖看出，鍛件形狀因子越大，擴孔載荷降低，變形越容易進行，加工成本降低。

圖12 等效應變大區域比例與形狀因子的關系圖表

圖13 擴孔載荷與鍛件形狀因子的關系圖表

綜上所述，從變形場等效應變分布角度分析，鍛件形狀因子≤0.57 的鍛造效果較好。

從實際擴孔工藝看，鍛件形狀因子（D-d）/H=2t/H，其中t 為鍛件壁厚，也即形狀因子越大，相對壁厚越大。前面說過，芯軸擴孔是局部受壓，變形部分金屬流動受其他未變形外端的限制，金屬流動阻力與相對壁厚（鍛件形狀因子）成正比，這就是形狀因子越大變形效果變差的原因。

3.3 砧寬比對擴孔變形的影響

圖6 幾何模型?80×56 擴孔壓下率10%的砧寬比為B/D=0.7, 圖14 為該模型擴孔壓下率10%采用窄砧B/D=0.35 時繪制的等效應變等值線沿子午面的分布圖。由圖看出，窄砧擴孔變形時鍛件形狀變得不規則，可能后續還要增加修正工序。

圖14 幾何模型?80×56 壓下率10%窄砧擴孔時等效應變分布圖

圖15 為擴孔破壞值與砧型的關系圖表，可見窄砧擴孔出現裂紋缺陷的可能性大于寬砧。

圖15 擴孔破壞值與砧型的關系

圖16、圖17 分別是等效應變均值及等效應變大區域比例與擴孔砧型的關系圖表，由圖可知，擴孔采用寬砧的鍛造效果好于窄砧。圖18 為擴孔載荷與砧型的關系圖表，顯然采用窄砧擴孔的載荷小于寬砧。從最小阻力定律可以解釋以上DEFORM輸出的結果。采用寬砧擴孔，金屬主要沿環切向方向流動，沿高度方向流動量較少。而采用窄砧擴孔，變形區域除受切向兩固定端影響外，還受緊鄰它的沿高度方向的固定端的影響，故變形阻力大于寬砧擴孔，因而從等效應變角度分析，寬砧的變形效果好于窄砧。

圖16 等效應變均值與擴孔砧型的關系圖表

圖17 等效應變大區域比例與擴孔砧型的關系圖表

圖18 擴孔載荷與砧型的關系圖表

3.4 鍛造溫度對擴孔變形的影響

研究方案設計了幾何模型?80×56 采用寬砧分別在鍛造溫度1050℃、1150℃及1250℃下進行擴孔變形。圖19、20 分別為擴孔破壞值及等效應變均值與鍛造溫度的關系圖表。由圖表看出，鍛造溫度變動對等效應變均值影響不大，而擴孔破壞值隨鍛造溫度升高略有減小。

圖19 擴孔破壞值與鍛造溫度的關系圖表

圖20 等效應變均值與鍛造溫度的關系圖表

圖21、圖22 分別為擴孔載荷及等效應變大區域比例與鍛造溫度的關系圖表，可見隨鍛造溫度升高，擴孔載荷降低，而等效應變大區域比例則減小，表明擴孔變形效果變差。

鍛造溫度變動對擴孔變形的影響之所以出現以上結果，原因是隨溫度升高，金屬塑性增加，變形抗力減小，故鍛件出現裂紋缺陷可能性減小，變形載荷也降低，但變形分布均勻性變差，也即變形效果變差。

圖21 擴孔載荷與鍛造溫度的關系圖表

圖22 等效應變大區域比例與鍛造溫度的關系圖表

4 結論

（1）芯軸擴孔鍛件內部的變形分布特征是，沿子午面大變形區位于靠近筒體件內壁的長條形區域，而其余靠近筒體件外壁的區域存在小變形區、剛性區。

（2）擴孔變形鍛件形狀因子≤0.57（筒體件相對壁厚≤0.28）的鍛造效果較好。

（3）擴孔變形寬砧的變形效果好于窄砧。

（4）鍛造溫度約1050℃左右擴孔變形分布較好。