H13钢辊环锻造工艺冲孔过程模拟

太原重工股份有限公司大锻件研究所 （山西 030024） 胡运宝

挤压机是实现金属挤压加工的主要设备，而辊环作为挤压机的重要锻件，由于工作环境要求其硬度高，综合力学性能好。H13钢具有高抗冲击能力和高淬透性，可满足辊环工作环境所需。但H13钢的锻造性能差，锻造温度范围为900～1180℃，锻造温度范围较窄。此外，该钢比较脆，锻造时极易产生裂纹。H13钢加热工艺、锻造工艺及锻后处理，H13钢芯棒锻造坯料中常见的几种缺陷及产生原因，以及H13钢国内外模具钢生产厂家装备及工艺有很多文献进行了阐述。

本文采用FORGE有限元模拟软件对H13钢辊环锻造工艺成形过程中冲孔过程进行数值模拟研究，对指导实际生产具有重要意义。FORGE有限元模拟软件是法国的一款锻造专用模拟软件，应用数值模拟技术可以提前预测锻造中的某些缺陷，进而改进工艺，缩短产品的生产周期。

1.工艺方案确定及锻件尺寸

此辊环锻件尺寸为φ1670mm×1170mm，中间通孔为φ520mm，重18.166t（见图1）。所采用钢锭为电渣重熔锭，重19.5t，钢锭利用率高达93.2%，因此在控制精度较高的125MN油压机上进行锻造。

工艺方案确定：第一阶段正冲，坯料放在下平台上，使冲子运动高度H=800mm。第二阶段反冲，坯料翻转180°，放在漏盘上，用φ450mm实心冲子将孔冲透。

图1 H13辊环锻件

2.有限元模型建立

（1）建模 对坯料、上砧、下平台、漏盘、实心冲子进行实体建模，在UG6.0中进行三维图形绘制，将图形转化为STL格式，导入FORGE中，如图2所示。图3为车间实际图。

图2 实体建模

图3 实际生产中坯料与上砧、下平台接触

（2）有限元模拟软件FORGE的参数设定 首先，坯料的网格划分。合理的网格划分可以提高求解的精度并降低运算量，FORGE具有强大的网格自动划分功能，还具有局部网格细划分功能。图4为坯料的网格划分图，共划分网格89 706个，因冲孔时中心区域受力较大，网格畸变较严重，在此区域网格应细化分。

图4 坯料网格划分

其次，H13钢材料属性。H13钢对应德国牌号为40CrMoV5/1.2344，其应力应变曲线见图5。

图5 H13钢应力应变

再次，对象间的关系。热摩擦因数选文件为water+graphite.tff，热交换系数选文件为Steel-hotweak.tef。

最后，控制的设定。采用行程控制，始锻温度设为1180℃，设定上砧压下速率为20mm·s-1。

3.H13钢辊环锻造工艺冲孔成形模拟结果分析

借助于FORGE软件对H13钢辊环锻件成形的模拟模型进行了有限元分析计算并进行后处理，获得H13钢辊环锻件成形效果图、应力场、应变场及温度场等数据。

（1）冲孔后的模拟效果 图6为H13钢辊环锻件冲孔完后的模拟效果，总体模拟效果较好，表面无裂纹；在内缘孔处，会产生拉缩现象。

图6

（2）H13钢辊环锻件冲孔过程 如图7所示，因锻件对称，现只分析坯料一半时的成形过程。第一阶段为正冲，将加热好的坯料放在上平台，φ450mm实心冲子放在坯料中心处，上平砧与冲子接触如图7a所示，金属开始冲孔变形，由于上砧子不断运动，对冲子施加作用力，迫使冲子下面的金属流动；当冲子进一步运动时，冲子下面金属运动类似于环形包围下的镦粗过程，四周为间接受力区，一方面由于冲头下面金属镦粗，会产生拉缩现象，另一方面外径会增大，越靠下会越明显，如图7b所示；当冲子运动高度H=800mm时，把坯料翻转180°，放入漏盘，开始反冲，如图7c所示；冲子继续运动，变形抗力猛增，最终将冲头下面的余料冲掉，完成冲孔过程，如图7d所示。

图7 H13钢辊环锻件冲孔成形过程

根据上述分析，总结出锻件冲孔过程金属流动规律：该锻件变形过程为冲孔成形，冲头下面的坯料类似于镦粗过程，冲头四周的坯料会产生拉缩现象，最终随着砧子运动完成冲孔过程。总体受力为压应力，变形均匀，流动完整，质量可靠。变形的关键点是冲子运动H=800mm时，应将坯料迅速翻转180°，防止锻件温度降低过快，出现裂纹。操作时，避免坯料表面产生大的拉缩现象，此外在坯料外壁偏下、内壁偏上处变形大，易裂，操作时应特别注意。

（3）等效应力应变、温度场分析 图8是坯料翻转180°反冲时的应力分布。由图可知，应力分布总体上均匀对称。锻件外壁受力较小，与冲头接触位置受力较大，符合应力分布规律，等效应力值最大能达108MPa。在内缘孔处，金属流动剧烈，应力值高，磨损严重，冲孔过程中以上部位变形剧烈，是磨损和裂纹生成、扩展的主要危险区。因此，冲头要设计适当的过渡圆角，防止开裂、磨损。

图8 翻转时等效应力

图9 是终锻时等效应变分布。由图可知，应变最终集中在内缘孔处，坯料外壁偏下、内壁偏上处，应变最大值为0.36。从图10温度场分布可以看出，温度场的最终分布情况与等效应变分布一致，即应变大的部分温度高，锻件表面最高约1097℃，最低约900℃，总体分布比较均匀约920℃。

图9 终锻时等效应变

图10 终锻时温度场分布

（4）与实际生产锻件对比 图11为实际生产H13钢辊环锻件，表面无裂纹，金属流动较好，与模拟结果相比，总体比较吻合。

图11 实际生产的锻件

4.结语

通过对H13钢辊环锻件冲孔过程有限元模拟，使成形过程更加形象化、直观化。从模拟结果与现实锻件产品对比分析可以得出：①利用FORGE有限元软件对H13钢辊环锻件冲孔过程进行数值模拟，冲孔结果令人满意，成形过程金属流动顺畅，未出现表面开裂等缺陷，与实际锻出产品相吻合。②由冲孔模拟结果可知，锻件内缘孔处会产生拉缩现象，与现实比较符合，在实际生产中要增加一道平整工序。③由终锻温度场分布可知，终锻温度平均在920℃左右，在H13钢锻造温度范围之内。由终锻等效应变场知，最终应变集中在内缘孔处，坯料外壁偏下、内壁偏上处，应变最大值为0.36。

（20130715）