800 MN模锻液压机主缸缸底锻件关键成形技术的研究

2010-09-26张清华刘鑫刚祁荣胜郭宝峰

大型铸锻件 2010年6期

张清华刘鑫刚祁荣胜金淼郭宝峰

(1.中国第二重型机械集团公司，四川618013；2.燕山大学机械工程学院，河北066004)

800 MN模锻液压机主要用于生产大型铝合金、镁合金、钛合金等模锻件，是发展我国大飞机项目必备的关键设备。该设备的建设对于改变我国大型模锻件长期依赖进口的局面有重大战略意义。800 MN模锻液压机主缸采用锻焊结构，其缸底部分的锻件直径为3 100 mm、高度1 700 mm，属于大型饼形锻件。该锻件锻造成形的技术难度较大，主要表现为两个方面：一是钢锭中的孔洞在成形过程中消除困难，探伤检测不易通过；二是锻件几何尺寸较大，已经涉及到二重现有锻造能力的极限。因此，需要对缸底的锻造过程进行分析和研究，为制定成形工艺提供技术支持。

关于孔洞闭合的理论问题，国内已有大量的研究成果[1～5]。早期，清华大学的王祖唐教授采用刚-粘塑性有限元法模拟了大型钢锭的拔长过程，研究了孔洞锻合过程的主要影响因素[1]。近几年，上海交通大学的崔振山教授基于MARC软件研究了圆柱体内部孔洞热锻闭合过程，提出了高温变形是改善含有孔洞材料性能的必要条件[2]；北京科技大学的韩静涛教授研究开发了耦合热及细观损伤分析的刚粘塑性有限元分析软件RVTDA，并将其用于饼类锻件镦粗过程中应力、应变、温度等的分析[3]。但是，考虑到800 MN模锻液压机缸底锻件的重要性，课题组依然认为有必要对其孔洞在锻造过程中的闭合问题，利用有限元数值模拟方法做些具体分析。

本文针对800 MN模锻液压机主缸缸底这一具体产品，利用数值模拟技术，着重研究了镦粗过程中平面砧、球面砧、锥形砧等不同砧型对锻件内部等效应变、静水应力和镦粗工艺力的影响，并分析了孔洞的变化规律。

1 砧型对锻件应力应变场的影响

1.1 有限元模型

大型饼形锻件锻造时，一般需采用多次镦粗、拔长的工艺，以消除孔隙性缺陷。800 MN模锻液压机主缸缸底锻件的最后一道镦粗工艺是多次镦粗、拔长工序中很重要的一个环节。其镦粗前的坯料尺寸为∅2 150 mm×4 150 mm，镦粗后锻件高度为2 300 mm，变形量为44.58%。

有限元分析时将锻件视为变形体，砧子为刚体。砧型为平面砧、球面砧和锥形砧三种，其中球面砧内球面半径为7 000 mm，锥形砧外球面半径为7 000 mm。

考虑到坯料几何形状及载荷的对称性，取坯料的1/4进行建模，导入DEFORM-3D后用四面体单元进行网格划分，图1为坯料的有限元模型。单元数为35 758，节点数为8 133，节点温度设为1 200℃，模拟时不考虑温度场的变化，摩擦系数f设为0.7。

1.2 砧型对镦粗力的影响

在压下速度为5 mm/s的情况下，得到了不同砧型与镦粗力之间的关系，见表1。

由表1可知，镦粗过程中压下量相同时，球面砧所需压机提供的成形力最大，其次为平面砧，锥形砧所需成形力最小，且球面砧的成形力在镦粗成形后期有快速增大的现象。球面砧与其他两种砧型的成形力差值均随变形量的增加而增大，且相对于球面砧型，平面砧和锥形砧最大镦粗力分别约为72.36%和60.98%。完成整个镦粗工艺时，球面砧所需成形力小于100 MN，以二重现有水压机设备能力，可以满足不同砧型所需的成形力。

图1 坯料的有限元模型Figure 1 The finite element model of the blank

表1 不同变形量时的镦粗力(MN)Table 1 The forming force when different deformation(MN)

1.3 砧型对等效应变的影响

镦粗时锻件存在三个变形区，即位于坯料与砧板接触区域的难变形区、位于坯料心部区域的大变形区和位于坯料中部外侧的小变形区。

镦粗工艺的总压下量为1 850 mm，变形量为44.58%。图2是变形量分别为24.10%、33.73%、44.58%时，不同砧型镦粗坯料得到的等效应变图，对应的压下量分别是1 000 mm、1 400 mm和1 850 mm。

由图可见，相同的变形量下，球面砧镦粗时坯料获得的变形较为均匀，且心部等效应变最大，锥形砧镦粗次之。在最大变形量时，球面砧、锥形砧和平面砧锻件心部的等效应变分别为1.200、0.952和0.715。锥形砧镦粗时，若变形量较小，则会在坯料轴线上出现两个等效应变较大的区域，而且随着变形量增加，这两个区域才逐渐靠近，并最终合并为一个区域。变形量相同时，平面砧镦粗的难变形区较大，球面砧次之，锥形砧最小。

1.4 砧型对静水应力的影响

图3是变形量分别为24.10%、33.73%、44.58%时，锻件内部的静水应力图。由图可见，砧型对静水应力分布形态影响较小，各砧型镦粗后坯料截面中央均有"X"形状分布的高等值静水应力带，截面的其它区域的静水应力值均较小。球面砧镦粗时，若变形量较小，坯料小变形区的外端受压应力，随着变形量增加，该区域逐渐变为拉应力状态，其最大静水应力值为15.0 MPa。而三种砧型镦粗的心部始终为三向压应力状态，平面砧、球面砧、锥形砧镦粗坯料的心部最大静水应力分别为-42.1 MPa、-44.2 MPa、-30.4 MPa。

综合锻件心部的应力应变分析结果可以看出，采用球面砧镦粗时，在锻件心部可获得较另外两种砧型更高的等效应变和静水应力。这现象说明，球面砧型较另外两种砧型更有利于心部缺陷的改善。尽管与球面砧型对应的镦粗力却大于另外两种情况，但也没有超出二重的现有锻造能力。

图2 不同砧型镦粗的等效应变Figure 2 The equivalent strain when upsetting with different anvils

2 砧型对孔洞闭合的影响

为了模拟锻件心部孔洞型缺陷的锻合过程，在∅2 150 mm×4 150 mm的坯料心部开一直径为10 mm的球形孔洞，取坯料的1/4进行建模，并在UG中用四面体单元对坯料进行网格划分，最后导入MARC。其有限元模型如图4所示，单元数为30 725，节点数为7 580，节点温度设为1 200℃，摩擦系数f设为0.7。

图5是孔洞闭合过程示意图。镦粗过程中，球形孔洞的截面形状由圆形逐渐变为椭圆形，直至闭合。设变形前空洞的直径为d，随着变形量的增加，孔洞沿压下方向的最大距离c(椭圆的短轴)逐渐减小。

图6为不同砧型镦粗时，孔洞短轴c随变形量S的变化曲线。图7为不同砧型镦粗时，孔洞体积V随变形量S的变化曲线。

由图6可见，三种砧型镦粗的孔洞短轴c随变形量S的增加而减小；平面砧、球面砧在相同压下量所得到的c值基本相等，而锥形砧得到的c值较大；球面砧、平面砧和锥形砧镦粗后的孔洞短轴c变化量分别为63.3%、62.9%、60.1%。由图7可知，三种砧型镦粗的孔洞体积V随变形量S的增加而减小；在变形过程中，平面砧镦粗的孔洞体积变化和球面砧的大致相同，但两者都小于锥形砧镦粗的孔洞体积；平面砧、球面砧和锥形砧镦粗后的孔洞体积变化量分别为77.56%、77.37%、74.62%。也就是说，针对本文研究的镦粗变形过程，平面砧和球面砧更有利于孔洞的闭合。