過渡圓角半徑對鍛錘熱力耦合的影響

任中立 郭蔚琦 余念 但斌斌 容芷君 劉宗鍇

（1：中冶寶鋼技術服務有限公司 上海200941；2：武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室 湖北武漢430081；3：武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室 湖北武漢430081）

1 前言

徑向精鍛機是奧地利GFM公司的專利設備，其原理是用四個沿圓周成90°間隔對稱布置的錘頭對金屬材料進行高頻鍛打［1－2］。20世紀80年代我國開始引進該設備，并在21世紀初開始研發徑向精鍛機產品，但是目前產品有限且研發緩慢［3－4］。鍛錘的破壞和更換問題嚴重影響實際使用與生產的連續性，其破壞部位最常見的是鍛錘表面圓角結構。Abbas Ghaei、莫琛等［5－6］利用有限元方法，對徑向鍛造過程進行建模，考慮模具形狀對鍛件截面的影響，圓角處易出現應力集中情況，且對工件質量亦有影響。徐瀟等［7］研究了熱鍛過程中鍛錘的受力情況，發現模具圓角處容易出現最大的應力值，實際生產中有圓角處容易產生疲勞裂紋出現損傷。薛河等［8］研究了鍛錘圓角半徑對錘頭受力影響，倒角半徑增大則應力會減小，但倒角超過一定程度后，應力會直線上升。這些都推動了徑向精鍛機鍛錘設計的發展。鍛錘的整體設計越來越符合實際要求，但過渡圓角容易出現損傷的問題卻一直未得到解決。所以將研究重點放在過渡圓角尺寸對鍛錘受力受熱方面，以改善其受力受熱情況，完善鍛錘設計。

鍛錘出現損傷原因有兩個：一是正面與側面之間的過渡圓角處因形狀變化，導致應力集中；二是在鍛造的過程中，由于多次的撞擊使鍛錘圓角處出現疲勞損傷。本研究重點基于應力及溫度場的鍛錘表層過渡圓角半徑的結構優化，以改善其受力受熱情況，以便提高鍛錘的鍛造水平，降低制造成本，提高批量生產能力。

2 熱力耦合有限元法

在鍛造過程中，鍛造發生非線性變形時伴隨有溫度的變化。由于溫度變化對結構變形和材料的相關特性產生影響，同時熱邊界條件亦會隨結構變形而有所改變，進而影響溫度的變化，因而為了能準確分析鍛錘鍛造過程中的應力和溫度變化，通常將溫度場的求解和應力分析結合起來共同考慮。

在用更新的Lagrange方法描述的熱彈塑性基礎之上，與溫度場相互耦合的非線性大變形熱彈塑性分析的增量形式，其有限元可表示如下。對邊界條件為S，體積為V的連續介質，其能量守恒方程可表示為

式中：vi－速度場；

ρ－質量密度；

U－給定內能；

ˉQ－給定體積熱流；

bi－給定體積力；

Pi－單位上的邊界力；

H－邊界S上的單位面積上的熱流強度。

對體積為V，質量密度為ρ的連續介質，其力平衡方程的積分形式為：

式中：Pi－鍛造壓力；

ni－表面S的單位法線方向；

σij－柯西應力分量。

若將式（2），式（3）帶入式（1），得到最終的熱－力耦合的能量守恒方程為：

3 有限元模型及邊界條件

3.1 熱力耦合有限元模型

本文的研究為某型徑向精鍛機鍛錘，其三維模型如圖1所示。在有限元仿真軟件的前處理中，根據熱力耦合大變形彈塑性有限元法建立的鍛錘與工件的有限元模型如圖2所示。

圖1 鍛錘模型

圖2 鍛錘和工件有限元模型

3.2 邊界條件

選取G520作為鍛錘材料，選取Q235作為工件材料，材料特性如表1。施加約束和載荷時，盡量按照實際工況進行，這樣才能保證計算結果更準確。結合生產實際生產加工情況，設置鍛造深度為10mm、速度為20mm／s，為節省模擬計算時間，工件長度取320mm，直徑200mm。工件兩端施加固定約束，考慮工件與鍛錘之間的摩擦，摩擦系數為0.3［9］，熱傳導系數為20kW／（m·℃）［10］。與外界環境的等效對流換熱系數為0.02kW／（m·℃），熱輻射率取0.8，熱功轉換系數相應取0.9，鍛錘預熱溫度為300℃，工件預熱溫度為800℃。將網格尺寸設置為密網格，設置單元尺寸為4mm，不規則結構處采用四面體網格進行自由網格劃分，其他地方用六面體網格，與工件接觸處進行了網格細化，共有225783個單元，354248個節點。

表1 材料性能表

4 結果分析

實際工況表明，鍛錘的過渡圓角附近是鍛錘損傷的主要區域。而鍛錘的過渡圓角尺寸對鍛錘應力與溫度情況有很大影響，本文對不同過渡圓角尺寸的鍛錘附近溫度、應力應變進行分析。

4.1 過渡圓角半徑對鍛錘溫度影響

鍛錘表面溫度升高主要是源于鍛錘表面與熱坯料接觸發生的熱傳導，坯料變形時沿表面滑移產生摩擦熱效應也會導致鍛錘近表層溫度升高。為方便觀察，取鍛錘四分之一模型，如圖3所示，為在彈塑性耦合鍛造結束后鍛錘的溫度場分布圖。鍛造時，鍛錘與工件接觸的表面的溫度在短時間內升高，溫度場呈現梯度分布，熱影響區域較小。溫度變化主要發生在鍛錘與高溫工件接觸的部位，鍛造深度的增加，溫度逐漸升高，鍛造到10mm時，其最高溫度為521℃。鍛錘溫度場的熱滲透距離小，其他地方溫度基本未變，其主要原因為錘鍛工作速度快，鍛錘每次與工件接觸時間短，鍛錘與工件發生熱傳導少，導致鍛錘近表層熱滲透距離小。

圖3 溫度分布

根據上述仿真條件可得到不同過渡圓角大小的鍛錘表面溫度數據，如圖4所示，鍛造到10mm深時，當鍛錘表面過渡圓角半徑在10mm～22mm之間時，鍛錘表面溫度呈下降趨勢；當過渡圓角半徑在22mm～35mm之間時，鍛錘表面溫度呈上升趨勢。過渡圓角較小，影響鍛錘表面與空氣之間的對流散熱，鍛錘溫度難以傳導。過渡圓角半徑增加，會增加鍛錘與工件的傳熱和荷載傳遞。

圖4 過渡圓角半徑對溫度的影響

4.2 過渡圓角半徑對鍛錘等效應力影響

如圖5所示，鍛錘的等效應力應變主要集中在鍛錘過渡圓角周圍及過渡圓角的交點處，并向四周擴散，最大等效應力為564MPa，最大等效應變為0.0039747。過渡圓角及過渡圓角交接處出現應力集中現象，原因為形狀發生不連續變化或連續性較差時，會導致局部應力迅速增大的情況。較大過渡圓角，其弧形結構有著更為光滑的邊緣，能夠降低應力集中的程度。

圖5 應力應變分布情況

圖6為鍛錘所受等效應力應變折線圖，鍛錘與工件剛開始接觸時，其等效應力應變值快速增大，隨著鍛造深度增加，其等效應力減小，說明在沿指定路徑上應力應變變化趨勢越來越平穩，應力集中現象減小。過渡圓角半徑增大，其等效應力應變逐漸減小。當在過渡圓角半徑在10mm～30mm之間，過渡圓角半徑越大對減小鍛錘應力集中越有益。

圖6 過渡圓角半徑與應力和應變

5 結論

1）鍛錘鍛造時，鍛錘與工件接觸的表面為其主要溫度升高處。

2）過渡圓角半徑在10mm～22mm之間，鍛錘表面溫度呈下降趨勢，過渡圓角半徑增加將減小應力集中。過渡圓角半徑在22mm～30mm之間，鍛錘表面溫度呈上升趨勢，過渡圓角半徑繼續增加將增加傳熱和荷載傳遞。

3）鍛錘鍛造時，鍛錘過渡圓角處容易出現應力集中，此處易出現損傷。

4）過渡圓角半徑在10mm～30mm之間，鍛錘表面過渡圓角半徑越大，其等效應力和等效應變越小。