鍛造工藝軟件套裝
——基于新穎工藝模型的先進徑向鍛造道次設計技術

文/Martin Wolfgarten 博士，Frederik Knauf 博士·西馬克集團公司

徑向鍛造(圖1)是一種高效的金屬成形工藝，其中工件由周圍的四個鍛造錘頭施加變形力，從而變形到預期的最終形狀。徑向鍛造除了要達到一定的最終幾何形狀外，還要達到良好的力學性能，這必須通過適當選擇鍛造參數來保證。

徑向鍛造的主要目標可歸納為：

⑴最大的工藝效率，縮短鍛造時間和節約能源，避免二次加熱；

⑵改善顯微組織，確保工件的心部和表面有足夠的變形，以獲得細晶粒組成的再結晶顯微組織；

⑶封閉鑄件的氣孔和空隙，封閉和焊合內部氣孔，防止形成裂紋。

西馬克集團的液壓徑向鍛造機SMX(圖2)已經有30 多年的成功經驗，其中SMX 的特點是，四個鍛造錘頭是由液壓驅動的，與傳統的機械驅動系統相比，液壓驅動在鍛造過程和工件質量方面具有顯著的優勢，即在每個鍛造缸的整個行程中都可以獲得充足的鍛造力。因此，可以獲得良好的鍛透性，因鍛造錘頭的動作可控，可獲得靈活的鍛造策略。

圖2 工作中的液壓徑向鍛造機

一般來說，徑向鍛造適用于各種各樣的材料，其中包括以下最適合的材料類別：碳鋼，例如C45；回火鋼，例如42CrMo4(AISI 4140 或1.7225)；不銹鋼，例如X5CrNi18-10(AISI 304 或1.4301)；熱作工具鋼，例如X38CrMoV5-1(AISI H11 或1.2343)；冷作工具鋼，例如X155CrVMo121(AISI D2 或1.2379)；鎳基合金，例如Inconel 718(N07718 或2.4668)；鈦，例如Ti-6-4(ASTM 5 級)。

由于材料成本，特別是鎳基合金和鈦的鍛造，需要詳細的工藝設計和鍛造操作的精確執行。徑向鍛造的最終幾何形狀主要是圓形棒材，以及矩形截面材料和階梯軸。

鍛造工藝軟件套裝——徑向鍛造道次設計的新方法

由于西馬克集團的技術目標是支持客戶從道次表計算到材料性能優化，現有的工藝軟件ComForge?整合成了鍛造工藝軟件套裝，它涵蓋了ComForge?的所有擴展功能，如：ComForge?道次表計算器、ComForge?道次表分析器、ComForge?性能預測器。未來它的功能還將不斷完善和發展。

ComForge?道次表計算器

自30 多年前西馬克推出第一臺SMX 徑向鍛造機以來，ComForge?已被證明是一種高效而強大的工具，可用于創建道次表。ComForge?通過解決工藝設計中的主要挑戰，確保始終如一的高水平生產質量：⑴提高生產效率→最好的性能；⑵最小公差；⑶具有詳細記錄的高度可重復性。

在新的鍛造工藝軟件套裝中，廣為業界熟知的ComForge?工藝軟件被重新命名為ComForge?道次表計算器。ComForge?鍛造工藝軟件套裝，內含超過200 種材料的性能數據，可以滿足所有客戶計算鍛造道次相關的任何需求。這為工廠所有者提供了一個全面的數據庫用來編制可靠的和經過技術驗證的鍛造工藝。一旦工藝計算結束，道次表直接傳輸到SMX 的PLC，最后完全自動執行鍛造過程。在這里，ComForge?道次表計算器提供了各種鍛造策略，使用不同的鍛造工具生產圓形、方形和矩形棒材。為了確保準確預測鍛造時間和由此實現的生產率，設備的液壓特性作為入口參數直接整合到ComForge?道次表計算器中。ComForge?道次表計算器的圖形用戶界面見圖3。

圖3 ComForge?道次表計算器的圖形用戶界面

如今，徑向鍛造工藝的制定主要是基于操作員的經驗和知識，或者基于幾何形狀的道次表計算，為此西馬克提供了成熟的工藝軟件ComForge?道次表計算器。它雖然可以就鍛造道次、鍛制力和材料運動學范疇進行可靠的分析，但它只是對工件幾何形狀變化給出了描述，而在等效應變或溫度應力的分布方面，卻沒有提供任何進一步的信息。

另一方面，因為鍛造過程通常包括多達數百個成形步驟，采用有限元法對自由鍛成形過程進行數值模擬是復雜的，需要大量的數值計算工作和具有專業技術知識的人員，并且非常耗時。因此，徑向鍛造的工藝設計通常非常耗時、昂貴，并導致道次表存在過大的安全裕度，例如關于加熱溫度設得過高，導致利潤降低。

為了克服這一挑戰，并改進徑向鍛造工藝，西馬克集團在此提出了新開發的軟件ComForge?性能預測器，該軟件能夠在幾秒鐘內就給定的道次表進行溫度和變形計算。

ComForge?道次表分析器

在鍛造操作過程中，計劃的道次表與實際鍛造操作之間可能會出現偏差，例如，由于合金成分的偏差，導致設備操作人員調高了鍛造力或手工操作。道次表分析器，用于分析SMX 記錄的過程數據(例如速度、位置、力等)，以識別這些偏差。接下來，將這些偏差與預期的道次表進行比較，以檢查是否對材料性能產生了關鍵影響。

ComForge?性能預測器——先進的工藝建模

性能預測器，作為我們鍛造工藝軟件套裝ComForge?的一個模塊，是我們開發的先進工藝模塊，允許對材料特性進行的詳細的鍛造過程計算和分析:工件截面應變分布的計算與可視化；考慮輻射、對流、工具接觸和通過邊界散熱等因素的截面溫度分布計算。

溫度計算：溫度模擬的原理(圖4)是基于有限差分法(FDM)。工件被劃分為如圖4 所示的節點。對于每個節點，使用顯式有限差分格式計算溫度，考慮：⑴輻射、對流、鍛造時因工具接觸而冷卻；⑵內在能量轉化，如變形加熱；⑶變形/等效應變計算。確保足夠大的變形，特別是在坯錠的心部，對材料質量非常重要。

圖4 溫度模擬原理

在徑向鍛造中，應變分布主要受以下參數的影響：

延伸率λ=(d20)/(d1)2、操作機每次擊打進給量(MFD)、轉向角(α)。

在計算中，應變分布是基于一個分析函數來描述的，上述所有參數都被充分考慮在內。在半徑上的變形進程可以應用到整個截面的計算。工藝軟件包含了上文中提到的所有鋼種的應變模型，其他材料組或合金也可根據需求添加。

⑴ComForge?道次表計算器配合ComForge?性能預測器使用帶來的收益。

ComForge?性能預測器被設計為獨立的工藝解決方案，但也可直接與ComForge?道次表計算器結合使用，因此對于使用ComForge?道次表計算器設計的任何道次表，溫度和應變分布都可以在幾秒鐘內得到評估。

⑵ComForge?性能預測器應用案例。

先進的工藝設計：在工藝設計階段，對ComForge?道次表計算器計算的任何一道工序，都可以詳細分析應變和溫度，以檢查所設計的鍛造工藝是否滿足應變和溫度的所有要求。ComForge?性能預測器很方便員工培訓，因為它可以直接評估不同鍛造參數對工件質量的影響。與ComForge?道次表計算器一起，ComForge?性能預測器可以廣泛應用于工藝優化。計算后，道次表被用作ComForge?性能預測器的輸入數據，如圖5 所示?；谶@些知識，鍛造工藝工程師可以對道次表進行調整，然后評估修改鍛造參數對內部應變和溫度應力分布的影響。

圖5 鍛造工藝軟件套裝ComForge?的工作原理，從工藝分析到材料性能優化

⑶ComForge?性能預測器的其他優勢。

無需專門的FEM 有限元模擬軟件，節省了高昂的授權費用。由于鍛造工藝軟件套裝的全面集成，ComForge?內部各模塊之間可以進行直接簡單的數據傳輸，可由工藝工程師完成，而不需要仿真專家。由于應變和溫度的快速建模，模擬時間非常短(小于1分鐘)。

⑷ComForge?性能預測器應用案例——過程質量。

在設計Inconel 718 的新鍛造道次時，會出現以下問題：

①是否有可能一火鍛造，還是需要重新加熱鑄錠?

②心部絕熱溫度上限多少，才能防止出現臨界晶粒生長？

鍛造參數：材料Inconel 718，起鍛幾何尺寸φ450mm×1500mm，終鍛幾何尺寸φ200mm×7594mm，爐內溫度1100℃。

首先利用ComForge?道次表計算器，采用ComForge?鍛造工藝軟件套裝和Inconel 718 的常用鍛造參數，獲得建議的道次表見表1(取決于設備參數)。

表1 Inconel 718 鍛造道次表(不含精整的過程時間：330 秒)

下一步，使用ComForge?性能預測器計算心部和表面的溫度分布，結果如圖6 所示。由于精整操作變形量小，不予考慮?？梢钥吹?，所選擇的道次表將導致工件心部的絕熱溫度劇烈上升，達到1145℃。這超過了1130℃——這種材料可接受的最大變形溫度，會導致臨界晶粒生長和力學性能較差的高風險。

圖6 ComForge?性能預測器首次計算后的心部和表面溫度

因此，可將道次表(表2)通過鍛造工藝軟件套裝ComForge?略作調整。為了減少絕熱溫升，每道次延伸率略微降低到平均每道次1.25。由于延伸率的減小會導致加工時間的增加，因此考慮到相同的設備參數，操作機平均進給量增加到每次60mm，以實現相同的加工時間。

表2 Inconel 718 鍛造改進道次表(不含精整的過程時間：330 秒)

再次使用ComForge?性能預測器對溫度進行分析，如圖7 所示，其中最高溫度現在可以保持在臨界值以下，大大降低了臨界晶粒生長的風險。

圖7 ComForge?性能預測器再次計算后的心部和表面溫度

總的來說，這個例子展示了ComForge?性能預測器在徑向鍛造工藝設計中的應用。應用鍛造工藝軟件套裝ComForge?的道次表計算器和ComForge?性能預測器來提高工藝盈利能力。除了工件質量外，ComForge?道次表計算器和ComForge?性能預測器配合使用，還可以提高與徑向鍛造工藝盈利能力直接相關的效益。對于高附加值的材料如鈦或鎳基材料，工件質量的優化，是最關鍵的；對于廣泛的材料等級，工藝效率是最重要的性能指標。

對于道次表，盈利能力主要受到兩個方面的影響：⑴鍛造時間決定產能；⑵所需鍛造溫度決定加熱成本。

ComForge?性能預測器與ComForge?道次表計算器配合，可針對這些特別的參數，進行道次表的詳細分析和設計。

應用實例——工藝盈利能力

對采用鍛造力為18MN 的SMX 鍛造AISI 304 不銹鋼的工藝，進行了以下分析。

鍛造參數：材料AISI 304，起鍛幾何尺寸φ500mm×1500mm，終鍛幾何尺寸φ250mm×6000mm，爐內溫度1200℃。

AISI 304 鍛造的適用溫度范圍是880 ～1250℃。根據這些輸入參數，進行道次表計算(表3)，得到的工藝過程如下。

表3 AISI 304 鍛造道次表(加工時間：354 秒)

當使用ComForge?性能預測器分析道次表時，可以發現在第六道次后，表面溫度仍然高達975℃，而距離表面1/4 直徑處的內部溫度甚至超過1050℃。這清楚地表明，鍛件溫度遠在工藝窗口之內，可考慮降低爐溫。

接下來將爐溫降低到1080℃。雖然道次表保持不變，但由于需要更高的鍛造力，加工時間略微增加到378 秒。使用ComForge?性能預測器分析，顯示以下結果(考慮相同的設備參數)：表面溫度890℃；距離表面1/4 直徑處的內部溫度960℃。

盡管初始溫度降低，仍然可以確保鍛件處于合理的工藝溫度范圍。所以，可以降低初始溫度，從而節省加熱成本。這一實例說明，將道次計算和工藝模型相結合，可以提高經濟效益。

將該實例應用到年產能為20000 噸/年的徑向鍛造機上，取決于當地的成本因素，每年可節約能源成本約為5 萬歐元。此外，假設每年生產10000 件鍛件，可減少CO2排放130t，以達到更好的可持續生產水平。

結束語

本文介紹了新開發的ComForge?鍛造工藝軟件套裝中的工藝模型ComForge?性能預測器。ComForge?性能預測器，能夠在數秒鐘內模擬徑向鍛造任何給定的道次表的溫度和應變分布。歷史上第一次，可在生產實際應用上，根據鑄錠材料狀態，開展鍛造工藝設計。結合道次表計算，可以根據最終工件性能，優化鍛造道次，例如分析關鍵工藝條件，如鎳基合金心部的絕熱溫升。除了優化工件質量外，先進的工藝軟件ComForge?性能預測器，可確保工廠經營者獲得顯著的經濟和生態效益。

未來，西馬克集團將進一步開發鍛造工藝軟件套裝ComForge?的功能，讓性能預測器與材料微觀組織計算相結合，以便直接計算和優化徑向鍛造的微觀組織。這個功能在鍛造工藝軟件套裝中，將被冠以ComForge?性能優化器的名字。此外，將這些模型與徑向鍛造機的控制系統相結合，可以在線分析徑向鍛造時材料的溫度、應變和微觀組織。