鐓粗過程中預(yù)壓下量對應(yīng)變分布的影響

文／潘利永，曹明·天津重型裝備工程研究有限公司軋輥研究部

本文針對鐓粗過程中因設(shè)備空間問題而需要在鐓粗前采用平砧施加一定的預(yù)壓下量的情況，采用Forge 數(shù)值模擬軟件，分析預(yù)壓下量對鐓粗后應(yīng)變分布的影響。結(jié)果表明，鐓粗中預(yù)壓下量只對鋼錠靠近水口端的錠身上半部分的等效應(yīng)變產(chǎn)生影響；隨著預(yù)壓下量的增加，水口端難變形區(qū)的應(yīng)變增大、分布更均勻。

鐓粗是以鋼錠作為毛坯的大型鍛件自由鍛造過程中的重要工序，起著破碎鋼錠原始鑄態(tài)組織，提高鍛件軸向力學(xué)性能，壓實內(nèi)部縮孔、疏松等作用，并為后續(xù)拔長、壓實等工序創(chuàng)造條件。

理想狀態(tài)下，生產(chǎn)過程中鐓粗工序應(yīng)當(dāng)一步到位，避免中間出現(xiàn)卸載的狀況，這樣可以使鐓粗過程中坯料內(nèi)部持續(xù)保持高應(yīng)力和高應(yīng)變，創(chuàng)造較好的壓實條件。然而，在實際生產(chǎn)中，如果鋼錠錠身和漏盤、鐓粗板的總高超過設(shè)備凈空距，鐓粗就需要分兩步進行，其中一種方式：首先需要用平砧在鋼錠水口端面壓下一定的量，然后再加鐓粗板進行加壓鐓粗至工藝要求尺寸。這種情況在水口不齊或立料不正的情況下也會出現(xiàn)。在出現(xiàn)預(yù)壓下量的鐓粗執(zhí)行過程中，鋼錠內(nèi)部的應(yīng)變分布狀態(tài)同理想狀態(tài)下的鐓粗相比，可能會存在一定的差異。為了考察這種差異的大小和對鐓粗執(zhí)行效果的影響，本文利用Forge 數(shù)值模擬軟件，設(shè)計了一組鐓粗模擬試驗，對上述狀況進行了對比分析。

模擬方案

本文以4500t 快鍛油壓機對44t 鋼錠的鐓粗過程為研究對象，圖1 為鋼錠的尺寸規(guī)格，其中壓鉗口階段已按生產(chǎn)工藝在鋼錠冒口壓制出φ800mm的鉗口，并在水口端去掉錠身100mm。

圖1 鋼錠尺寸示意圖

模擬過程中所需的參數(shù)參照了實際鍛造過程，壓機速度設(shè)定為50mm/s，鐓粗相對總變形量設(shè)定為50%，模擬試驗的材質(zhì)選用軋輥材質(zhì)YB-70。模擬過程中對鋼錠按照30000 個網(wǎng)格單元進行劃分，出爐坯料溫度為1230℃，考慮空氣及輔具傳熱，并按照Forge 的常規(guī)參數(shù)進行設(shè)定。

模擬分A、B 和C 三組，A 組采用上平鐓粗板、下漏盤，壓下量為50%；B 組和C 組采用400mm 上平砧分別預(yù)壓5%、10%，再用上鐓粗板、下漏盤壓下45%、40%。A、B、C 三組，所用到的鐓粗模型如圖2 所示。各組相對變形量見表1。

表1 三組試驗壓下量

圖2 鐓粗模型

模擬結(jié)果

為分析數(shù)據(jù)的方便，分別以鋼錠的中心軸和半徑方向為橫、縱坐標(biāo)軸建立如圖3 所示直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點為鉗口端面中心處。文中使用數(shù)據(jù)都是使用點跟蹤的方法，從Forge 軟件中導(dǎo)出的，所跟蹤的點分布情況如圖4 所示，各行(列)點均勻分布。

圖3 模型坐標(biāo)圖

圖4 跟蹤點的分布情況

圖5 為A、B、C 三組模擬試驗中大變形區(qū)的數(shù)據(jù)采集點等效應(yīng)變的對比情況。從圖5 中看，在軸向坐標(biāo)1200 ～2000mm 區(qū)間內(nèi)，即冒口端到錠身心部，其等效應(yīng)變的走勢基本相同；在軸向坐標(biāo)2000 ～2800mm 區(qū)間內(nèi)，即錠身心部到水口端，其等效應(yīng)變則產(chǎn)生了較大差距，C 組的等效應(yīng)變值維持在1.0 上下，而A、B 兩組則在軸向坐標(biāo)2600mm 后產(chǎn)生差距，差值在0.4 左右。

圖5 大變形區(qū)等效應(yīng)變對比

圖6 是A、B、C 三組冒口端難變形區(qū)等效應(yīng)變的對比情況，A、B、C 三組冒口端難變形區(qū)的等效應(yīng)變差值僅在0 ～0.2 左右，可見鐓粗是否有預(yù)變形對冒口端難變形區(qū)等效應(yīng)變分布的影響也很小，可以認為A、B、C 三組方案所得到的冒口端難變形區(qū)等效應(yīng)變分布狀態(tài)基本一致。

圖6 冒口端難變形區(qū)等效應(yīng)變對比

圖7 為水口端難變形區(qū)等效應(yīng)變對比，從A、B、C 組的對比來看，水口端難變形區(qū)的等效應(yīng)變分布差異較大：一方面，等效應(yīng)變隨著預(yù)壓下量的增加而增加，等效應(yīng)變差值基本在0.2 ～1.0 的范圍內(nèi)變化；另一方面，從單條圖線的走勢來看，預(yù)變形使水口難變形區(qū)的局部等效應(yīng)變分布更趨均勻。

圖7 水口端難變形區(qū)等效應(yīng)變對比

圖8 為小變形區(qū)A、B、C 三組試驗的等效應(yīng)變分布數(shù)據(jù)對比。從圖中等效應(yīng)變曲線的對比來看，預(yù)壓下量增大了水口端等效應(yīng)變，對冒口端和錠身中部的影響很小。

圖8 小變形區(qū)等效應(yīng)變對比

分析與結(jié)論

⑴通過前述對模擬試驗結(jié)果的整理，可以看出鐓粗過程中水口部位采用平砧來實現(xiàn)的預(yù)壓下量對鐓粗后鍛件坯料水口端等效應(yīng)變分布產(chǎn)生了影響，提高了等效應(yīng)變的數(shù)值，同時使分布更趨均勻，但對其余部位影響不大。

⑵在正常鐓粗過程中，由于采用鐓粗板施壓，受摩擦作用水口端形成難變形區(qū)，對該區(qū)域材料的變形產(chǎn)生了約束，使得等效應(yīng)變增加受到限制，且中心部位約束最大而使等效應(yīng)變最小。在平砧對水口端施加預(yù)壓下量時，由于接觸面積小，摩擦約束作用較弱且作用范圍有限，因此有利于水口端產(chǎn)生局部變形，從而產(chǎn)生水口等效應(yīng)變較大的結(jié)果。同時，由于是多砧壓下完成水口端整體產(chǎn)生預(yù)壓下量，因此等效應(yīng)變的分布會更趨均勻。

⑶按照當(dāng)前結(jié)果，預(yù)壓下量的存在對鐓粗產(chǎn)生了有利影響，但是對于這種非正常的鐓粗方式，一方面會延長工藝執(zhí)行時間，另一方面在預(yù)壓下量較大時，正常鐓粗的變形量會相應(yīng)減少，從而削弱了正常鐓粗的壓實效果，且對壓實的影響難以通過模擬計算進行可靠的評估。因此，本文所考察的這種鐓粗前采用平砧預(yù)壓下的鐓粗方式只能作為適應(yīng)設(shè)備空間需要的臨時措施，并且執(zhí)行過程需要控制預(yù)壓下量大小，確保正常鐓粗的執(zhí)行效果。