基于Forge仿真软件的铸锭镦粗工艺过程数值模拟

李国洲 ，马鹏翔 ，王炳正 ，杨 武 ，王旭明 ，李七平 ，袁玲道 ，李 慧

（1.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，甘肃 兰州 730314；2.甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心，甘肃 兰州 730314；3.兰州兰石铸锻有限责任公司，甘肃 兰州 730314）

传统锻造工艺借助于生产实践经验，通过不断试错的方法得到比较符合要求的工艺，过程中会产生大量废品，既浪费原材料，又增加了产品的生产周期，使成本大幅度上升。随着科学技术的发展，有限元模拟分析技术在锻造生产中得到了广泛应用，本文借助法国Transvalor公司开发的Forge数值模拟软件，以有限元思维模拟铸锭镦粗工艺过程，通过模拟对镦粗过程的温度场，应力、压机载荷等情况进行分析，为铸锭开坯过程提供合理吨位的压机和工艺[1～6]。

1 工艺概述

本文采用漏盘镦粗工艺进行模拟仿真，工艺共分为三步：

（1）压钳口：将冒口端压成钳口，便于机械手夹持；

（2）倒棱：将铸锭倒棱，除氧化皮并防止铸锭在镦粗过程中可能沿棱边开裂；

（3）漏盘镦粗：将钳口置入漏盘，避免冒口端镦入锻件内部，形成缺陷。

模拟工艺如下：

（1）将铸锭冒口端压方至漏盘可容纳的规定尺寸；

（2）将铸锭倒棱至大小头直径一样；

（3）用盖板进行镦粗，镦至压机速度明显变慢为止。

一火次成形模拟：

Pa——压机速度恒定（30mm/s）；

Pb——变速度（50-40-30mm/s）。

两火次成形工艺（镦粗前加热）：

Pc——压机速度恒定（30mm/s）；

Pd——压机速度恒定（30mm/s，多步镦粗）；

Pe——变速度（50-40-30mm/s）。

后续文章中五种工艺分别用 Pa、Pb、Pc、Pd、Pe表示。

2 参数设置

铸锭材料为H13执行标准GB/T1299-2014，其成分与软件材料数据库中40CrMoV5-1.2344（德标）对应，成分见表1所示。

表1 材料化学成分（质量分数/%）

图1为铸锭的三维模型，约20t，锭型为典型梅花锭。图2所示为网格划分模型，有限元模型分为三部分：上模、铸锭、下模。铸锭锻造温度区间：1250℃～850℃，平砧预热至200℃。

图1 20t铸锭三维模型

图2 有限元模型网格划分

3 模拟结果分析

图3为不同镦粗方式时铸锭温度分布云图，对比分析，一火次镦粗时，压钳口和倒棱过程消耗时间较长，接近终锻温度，变形抗力增大，容易达到压机最大吨位。而两火次镦粗时，将铸锭回炉加热至始锻温度，一方面镦粗过程中不易产生裂纹，另一方面，温度较高时，同一压力镦粗，铸锭的变形较大，更容易成形。

图4为不同镦粗方式时铸锭应力分布图。根据应力分布图可以看出，一火次镦粗时，匀速30mm/s（a）的最大应力明显大于变速 50-40-30mm/s（b），说明变速度镦粗更有利于成形。通过对比不同火次镦粗过程应力分布，可以看出：两火次镦粗（c）应力小于一火次镦粗（a）过程，这是因为一火次镦粗时，在边缘及表面区域形成低温区域，使应力集中不能释放，在下压过程中，铸锭容易出现裂纹。而两火次镦粗时，前期倒棱过程形成的应力在加热过程得以释放，不易产生裂纹[7-9]。

①前期压钳口、倒棱（包括进给旋转等待时间）用时314s，通过对比Pa和Pb方式，一火次镦粗时，压机速度 30mm/s时，1次可压下 617mm，用时314+21s=5min35s，上模具所受最大压力为7536.8t；以不同压机速度50-45-40mm/s可压下1080mm，用时314+95=6min49s，上模具所受最大压力为7580.1t。结果表明：以不同压机速度进行镦粗时，压下量明显大于恒定速度进行镦粗，说明压机速度对压下量有一定的影响，设备额定参数要求范围内，通过变速进行镦粗，可以满足要求。

图3 不同镦粗方式时铸锭温度分布云图

图4 不同方式镦粗时铸锭应力分布图

表2 不同镦粗形式参数对比

②通过对比Pc、Pd和Pe方式，两火次镦粗时，压机速度30mm/s时，一次可压下767mm，用时314+26s=5min40s，上模具所受最大压力为7523.8t；以30mm/s压机速度多次总共可压下761mm，用时314+121=7min15s，上模具所受最大压力为7707.1t；以不同压机速度50-40-30mm/s可压下1080mm，用时314+58=6min12s，上模具所受最大压力为7584.2t，结果表明：在变速度情况下，可以满足成形要求。通过对恒定压机速度一次镦粗与多次镦粗模拟对比，压下量没有明显变化。

③通过对比Pb和Pe（或Pa和Pc）方式，不同火次镦粗，两火次镦粗压下量大于一火次的，当镦粗到目标尺寸时，两火次所需压机吨位较小，对设备而言，不建议长时间满负荷运行。

图5为上模具受力示意图，由图可以看出压机在镦粗过程的压力随时间变化趋势和最大压力值。根据最大力和时间的关系可以判断此过程是否合理，选择压机吨位是否合适。

图6为11t材质为H13铸锭在50MN压机上现场镦粗图，通过前期模拟计算，最终采用两火次进行镦粗。本次75MN压机铸锭镦粗模拟过程参照前期50MN压机实际生产。

4 结论

通过利用Forge模拟软件对不同压机速度、不同方式镦粗、不同火次等进行镦粗过程模拟，可以得出以下结论：

（1）镦粗过程中，时间越长，温度下降越快，但在多火次锻造时，一方面铸锭需要加热，消耗能量，延长产品生产周期；另一方面有一定的烧损量。因此，在镦粗过程中应综合考虑锻造火次。

图5 上模具受力示意图

图6 现场铸锭镦粗图

（2）通过不同压机速度进行镦粗，可以提高一次成型的可能性，提高效率。

（3）20t材质为H13的铸锭在75MN压机进行镦粗时，建议进行两火次镦粗，可以减轻压机所受负荷，延长压机寿命。

（4）通过铸锭镦粗过程仿真模拟，有效的指导铸锭开坯工艺的制定，为实际生产过程及压机的选择提供合理的理论依据。