基于DEFORM 大型筒体件锻造工艺改进方面的研究

2021-03-24何利东李海荣张泽磊

锻压装备与制造技术 2021年1期

何利东，李海荣，张泽磊

（四川工程职业技术学院材料系，四川德阳618000）

1 引言

大型筒体件是核电、石化、水电等能源领域重大技术装备的核心零部件，产品质量直接影响到重大装备的运行可靠性。以核反应堆压力壳（Reactor Pressure Vessel，RPV）大型锻件为例（图1），由于其要长期承受高温高压和放射性辐照，为保证核电站安全运行，所以RPV 必须达到各种严格的性能要求。在RPV 的成形制造过程中，组织性能控制，即晶粒细化和晶粒均匀化控制，成为保证产品质量的关键所在。锻造工艺既能使产品外观初步成形，消除铸态组织及内部缺陷，同时使晶粒细化、均匀化[1]。扩孔的作用是减小空心坯料壁厚使其外径和内径同时增大，是锻制RPV 过程中比较重要的成形工步。但目前工程上制定扩孔工艺时大都使用经验数据，对其的认识基本上还处于定性阶段。

图1 核反应堆压力壳结构意图

本文简述了DEFORM 仿真技术在大型筒体件扩孔工艺研究方面的应用，其研究结果对目前RPV锻件工艺的制定具有参考价值，而且验证并丰富了传统金属塑性成形理论。

2 RPV 的实际生产工艺及基于DEFORM 扩孔工艺研究方案设计

上海重型机械厂（SHMP）锻造600MW RPV 大型筒体件一般采用如下的典型工艺：镦粗（1250℃）→冲孔（1230℃）→扩孔（1230℃）→反复镦扩（1220℃）→拔长（1220℃）→扩孔（1100℃）。RPV 的材料采用16MnD5，类似于国外的ASME SA508cl.3,表1 为该钢种成分表[2]。ASME SA508cl.3 是一种低碳、低合金、高强度、高韧性的合金结构钢，具有良好的可锻性和可焊性，其高温力学性能完全符合RPV 的制造条件要求。

表1 ASME SA508cl.3 钢成分（%，质量分数）

目前锻造业界越来越重视晶粒结构对RPV 产品最终性能的影响，并逐步采取工艺措施细化晶粒组织，均匀晶粒分布。研究表明，锻件晶粒度跟该处的等效应变成正比关系，即该处的应变越大，其动、静态再结晶百分数越大，其晶粒越细小，图2 的实验照片清楚地显示了晶粒度与等效应变的这种关系[3]。同时，研究也表明变形越均匀，锻造得到的晶粒组织也越均匀。

图2 晶粒度与变形大小的关系实验照片(左→右：等效应变逐渐变小，晶粒组织逐渐变粗）

图3 DEFORM模拟扩孔变形的三维示意图

本文针对大型筒体锻件的实际生产工艺，采用DEFORM仿真对扩孔变形的特征和机理进行了定量的探索研究，以求获得最佳的工艺参数，使锻件内部尽可能得到较好的应变分布，获得良好的锻造效果。图3 为用DEFORM模拟扩孔变形的三维示意图。在数字模拟建模过程中，根据相似理论的原理，确定几何模型尺寸及各热加工参数，这样得到的结果才有实际参考价值[4]。具体方案为，建立一组不同形状因子的筒体状几何模型：（D-d）/H，式中，D 为锻件外径，d 为锻件内径，H 为锻件高度，如图4 所示，模拟不同形状因子、砧宽比、锻造温度及不同压下率条件下扩孔变形过程，从而确定扩孔工艺的优化参数。根据SHMP 的ESR 钢锭尺寸而设计的几何模型尺寸为ø80mm×56mm，H/D=0.7,实物模型大小比例为34:1。模型冲孔后内径d 为ø48mm，3 个扩孔模型的形状因子（D-d）/H 分别为0.57、0.95 和1.44，相当于ESR钢锭分别镦粗0%、21.4%及35.7%后再芯轴扩孔，由于其形状因子不同，扩孔变形的应力应变状态也不同，因而对扩孔的变形效果产生影响，本文将研究这种影响作用。DEFORM 模拟扩孔变形后将输出2D/3D 数据结果以进行分析。

图4 不同扩孔形状因子的几何模型尺寸

3 基于DEFORM 大型筒体件扩孔工艺仿真研究输出结果分析

3.1 扩孔变形数据后处理得到的几种输出结果

以几何模型ø80×56 扩孔压下率10%为例，图5表示沿模型子午面分布的变形破坏值等值线图，破坏值越大，表示工艺变形出现裂纹破坏的可能性越大，扩孔锻件端部应力状态欠佳，出现拉应力分量，当超过材料的抗拉强度时即出现裂纹。破坏值越小，表示变形越安全。

图5 几何模型ø80×56 扩孔压下率10%变形破坏值沿子午面分布图

图6 表示等效应变等值线沿模型子午面的2D分布图。图7 则表示等效应变在模型中的3D 分布图及各部分的体积百分率图表。根据等效应变分布图可以看出扩孔变形分布特征。扩孔锻件子午面大变形区域位于靠近扩孔内壁的长条形区域，而其余靠近筒体件外壁的长形区域为小变形区或刚性区。也就是说，得到足够变形的大区域（即等效应变大区域比例部分）锻造效果较好，晶粒组织较细小。图8 为使用坐标网格法绘制的扩孔形状因子0.95 压下率7.5%等效应变大区域分布图，可见跟DEFORM仿真的结果是一致的。

图6 几何模型ø80×56 扩孔压下率10%等效应变等值线沿子午面分布图

图7 几何模型ø80×56 扩孔压下率10%等效应变分布立体图及各部分百分比例图表

图8 基于坐标网格法绘制的试件ø90×44扩孔压下率7.5%等效应变大区域分布图

芯轴扩孔的变形特点有点近似于拔长，它是环形坯料沿圆周方向的拔长，是局部加载，整体受力。坯料变形区呈扇形，与芯轴接触面积较窄，与上砧接触面较宽，根据最小阻力定律，变形区的金属主要沿切向方向流动。坯料扩孔变形，相当于受到上平砧和下凸砧的压缩作用，由于坯料与上砧和芯轴存在摩擦阻力，因而坯料子午面应变分布类似于镦粗的变形特征，但大变形区往芯轴（下凸砧）偏移。

图9 表示几何模型ø80×56 扩孔压下率10%载荷随时间变化情况。该载荷反映了扩孔金属材料变形抗力大小，取决于金属材料种类、锻造温度、扩孔形状因子、变形速率及工具形状等因素，该载荷越小，需要设备吨位越小，需要的能耗少，说明加工越容易，该指标也可用于各工艺好坏的对比分析。

图9 几何模型ø80×56 扩孔压下率10%载荷随时间变化图表

3.2 锻件形状因子对扩孔变形的影响

图10 表示扩孔破坏值跟工件形状因子的关系图表。从图表看出，形状因子越大，变形越安全，变形出现裂纹等缺陷的可能性变小。

图10 扩孔变形破坏值跟形状因子的关系图表

图11 表示锻件子午面分布的等效应变均值跟其形状因子的关系图表。由图看出，形状因子越大，应变场等效应变均值越低，说明金属流动越困难。

图11 等效应变均值与形状因子的关系图表

图12 表示等效应变大区域比例与形状因子的关系图表。等效应变大区域比例是评价锻造效果的指标，该指标越大，变形效果及均匀性越好。由图看出，锻件形状因子越大，等效应变大区域比例降低，说明变形效果变差。

图13 表示扩孔载荷与锻件形状因子的关系图表。由图看出，锻件形状因子越大，扩孔载荷降低，变形越容易进行，加工成本降低。

图12 等效应变大区域比例与形状因子的关系图表

图13 扩孔载荷与锻件形状因子的关系图表

综上所述，从变形场等效应变分布角度分析，锻件形状因子≤0.57 的锻造效果较好。

从实际扩孔工艺看，锻件形状因子（D-d）/H=2t/H，其中t 为锻件壁厚，也即形状因子越大，相对壁厚越大。前面说过，芯轴扩孔是局部受压，变形部分金属流动受其他未变形外端的限制，金属流动阻力与相对壁厚（锻件形状因子）成正比，这就是形状因子越大变形效果变差的原因。

3.3 砧宽比对扩孔变形的影响

图6 几何模型ø80×56 扩孔压下率10%的砧宽比为B/D=0.7, 图14 为该模型扩孔压下率10%采用窄砧B/D=0.35 时绘制的等效应变等值线沿子午面的分布图。由图看出，窄砧扩孔变形时锻件形状变得不规则，可能后续还要增加修正工序。

图14 几何模型ø80×56 压下率10%窄砧扩孔时等效应变分布图

图15 为扩孔破坏值与砧型的关系图表，可见窄砧扩孔出现裂纹缺陷的可能性大于宽砧。

图15 扩孔破坏值与砧型的关系

图16、图17 分别是等效应变均值及等效应变大区域比例与扩孔砧型的关系图表，由图可知，扩孔采用宽砧的锻造效果好于窄砧。图18 为扩孔载荷与砧型的关系图表，显然采用窄砧扩孔的载荷小于宽砧。从最小阻力定律可以解释以上DEFORM输出的结果。采用宽砧扩孔，金属主要沿环切向方向流动，沿高度方向流动量较少。而采用窄砧扩孔，变形区域除受切向两固定端影响外，还受紧邻它的沿高度方向的固定端的影响，故变形阻力大于宽砧扩孔，因而从等效应变角度分析，宽砧的变形效果好于窄砧。