基于正交试验的锻锤磨损分析及工艺参数优化

宋四化，容芷君，但斌斌，任中立，余 念，蒋麒麟

(1. 武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北 武汉，430081;2. 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北 武汉，430081；3. 中冶宝钢技术服务有限公司，上海，200941)

径向锻造工艺在航空、航天、机械制造等领域具有广阔的应用前景。热锻过程中，锻锤由于受到强烈的热冲击、周期性变化的机械载荷以及高温下的极高压力三重作用，使得锤头可能以塑性变形、磨损、疲劳裂纹和脆性损伤等形式失效。实际生产中，由锻模严重磨损而引起的模具失效占总模具失效形式的70%。此外，锻锤磨损也会严重影响到锻件质量和精度，如锻件成品表面可能会产生裂纹、磨损等质量缺陷。由此看来，如何减小锻锤磨损成为了热模锻成型工艺中亟需解决的问题。

近年来，关于热锻模磨损行为的研究已有大量报道，如王瑞麟等[1]结合实验与有限元分析，分析了温度与保温时间对模具磨损情况的影响，得出了适用于大口径厚壁管热挤压模具的磨损规律。Zhang等[2]通过等效连续冲压模拟，研究了冲压次数对模具磨损的影响，并且分析了模具在失去尺寸精度前不同阶段的磨损状态。Cai等[3]将正交试验中方差分析方法与有限元仿真结合，得到适用于热锻模的最佳工艺参数，并且对模具的使用寿命进行了预测。Deng等[4-5]研究了冲压硬化对模具摩擦磨损性能的影响，并且利用数值分析方法，研究了滑动距离、滑动速度和接触压力等参数对模具磨损的影响。Tian等[6]研究了高强钢在热冲压过程中的摩擦磨损性能，讨论了温度对高强钢摩擦系数的影响，结果显示，温度达到500 ℃前，摩擦系数几乎保持不变，当温度从500 ℃升至600 ℃，摩擦系数急剧增加。Wang等[7]以汽车差速器壳锻造模具为例，研究了锻造工艺参数和模具结构参数对终锻模具磨损率的影响，并基于Deform-3D和修正的Archard磨损模型，计算了稳态温度场下的模具磨损深度。但目前，关于各热锻工艺参数对锻锤磨损程度的影响研究还报道较少。

为此，本文以精锻机锻锤为研究对象，基于Archard磨损理论，建立了适用于热模锻工艺的锻锤磨损校正模型，结合正交试验设计和有限元分析，构建热锻过程的热-力耦合数值分析模型，采用方差分析和极差分析法，研究了热锻过程中关键工艺因素对锻锤磨损程度的影响，并分析了热锻后锻锤表面不同区域的磨损程度及原因，最后，基于25次预锻的数值分析结果，采用多项式拟合法预测锻锤的使用寿命，以期为掌握锻锤磨损规律进而提升锻锤服役寿命提供依据。

1 锻锤磨损本构模型

基于Archard磨损模型，一般情况下模具的磨损性能可表示为[8]：

(1)

式中：dV为磨损体积；T为锻模温度；K(T)为黏着磨损系数，K(T)=(29.29lnT-168.73)×10-6;H(T)为模具硬度，H(T)=9216.4T-0.505；dP为工件和锻模接触面法向压力；dL为表面相对滑移长度。dV、dP、dL分别可表示为：

(2)

式中：dW为磨损深度；dA为接触面积，σn为法向应力；v为相对滑移速度；dt为滑移时间。

热锻成型中，载荷、温度、速度场随位置和时间而变化，故根据式(1)和式(2)推导得到模具磨损的修正模型为：

(3)

式中：s、t分别是位置和时间参数；σn(s,t)、v(s,t)分别表示任一空间和时间点的法向应力值和滑移速度。

热锻成型中，某一时刻一次锻造的锻锤总磨损量(用磨损深度表示)为：

(4)

式中：σn和v可根据有限元模拟的数值分析获得。对工件与锻模之间的接触面采用离散化分析，推导得到[8]：

Wi,j=K(T)·

(5)

式中:M为总时间步数；N为接触面的总结点数；Δt为时间步。

在K(T)和H(T)固定不变的情况下，可通过数值模拟方法计算得到一次热锻成型过程中锻锤接触表面的累计磨损量。

2 锻锤磨损优化试验

2.1 有限元模型

采用商用有限元分析软件DEFORM建立圆截面工件径向锻造过程的完整三维有限元模型，如图1(a)所示。为提高计算效率，将工件设置为弹塑性体，锻锤和夹持器设置为刚性体，见图1(b)。径向热锻过程中，锻锤压入锻件的行程与时间成如图1(c)所示的正弦关系，并且锤头与工件接触时，夹持器起到缓冲弹簧的作用。单次锻造后，锻锤绕轴线旋转5°/次，锤头相对锻件向后运动，模拟工件的旋转进给过程。

(a)径向锻造三维有限元模型

(b)旋锻工艺示意图

(c)锤头运动特性

锤头由基体、过渡层、耐磨层三部分构成，由于锻锤的磨损主要集中于耐磨层成型面，故本文研究重点为锻锤耐磨层的磨损情况，耐磨层材料采用GH520镍基高温合金，工件材料采用DEFORM材料数据库的AISI-1045钢[70～2000 F(20～1100 ℃)]。锻造面采用六面体单元划分网格，其他区域采用四面体单元网格，并且对锻锤主要工作区的网格进行加密处理，最终锻锤的单元数和单元节点分别为367 423和77 682。工件初始温度设为1000 ℃，考虑到热辐射，锤头锻造前需进行预热，工作环境温度为20 ℃，工件与空气的换热系数为20 W/(m2·K)，工件与锤头的换热系数为11 W/(m2·K)，辐射系数为0.3。摩擦类型设置为剪切摩擦，夹持器与锻件接触面在锻造过程中保持黏着，其接触面设置为黏性摩擦，摩擦系数为1.0，采用罚函数接触法定义各接触对之间的约束。

2.2 正交试验设计

本研究选择锻锤预热温度(A)、锻造速度(B)、锻锤压下率(C)、摩擦系数(D)作为影响锻锤磨损行为的4个因素，每个因素设置4个水平，得到正交因素水平表如表1所示。

表1 正交试验因素水平

2.3 正交试验结果分析

表2所示为正交试验方案及相对应的锻锤磨损深度模拟结果。为确保试验结果的可信度，采用方差法和极差法对结果进行分析，对应的极差分析表和方差分析表如表3和表4所示。

极差值R大小反映了各因素对试验指标的影响程度，R值越大表明该因素对指标影响越大。由表3可知，对锻锤磨损影响的主次因素顺序为C>D>B>E(空列)>A，即压下率对锻锤磨损影响最大，摩擦系数和锻造速度次之，锻锤预热温度的影响最小。根据同一因素不同水平下锻锤累计磨损量确定最佳因素组合为A3B2C1D3，其中因素A对锻锤磨损的影响程度甚至小于空列E，故不将其作为影响锻锤磨损行为的显著影响因素来研究。

表2 正交试验方案及结果

表3 极差分析表

表4 方差分析表

由表4可知，4个因素的F值依次为：FA=0，FB=1.4226，FC=13.1773，FD=11.3832，本研究中，正交试验显著性水平α取0.1，则计算得到Fα(3,6)=3.29，可以看出，FC>FD>Fα(3,6)>FB，即压下率和摩擦系数对锻锤磨损的影响最大，锻造速度对锻锤磨损的影响不太显著，这与极差分析结果一致。

综上所述，径向热锻过程中锻锤磨损性能最优的工艺水平为：锻锤预热温度500 ℃、锻造速度400 mm/s、压下率4%、摩擦系数0.4。

3 工艺水平对锻锤磨损影响分析

3.1 压下率对锻锤磨损的影响

正交试验结果表明，径向压下率是造成锻锤磨损的关键因素之一。为此，特选取不同压下率(4%、5%、6%、7%)进行数值模拟，研究了压下率对锻锤成型区表面磨损的影响规律，其他变量均采用正交试验得到的最优工艺参数。

图2为锻锤磨损深度与径向压下率的关系，可以看出，锻锤表面磨损深度随着压下率的增大先增大后减小，压下率为4%时，锻锤表面磨损深度最小，仅为2.1054×10-6mm，压下率为6%时，锻锤磨损深度最大为2.8916×10-6mm。磨损深度与压下率的关系与摩擦表面是否形成转移膜以及表面磨损形式有关，当压下率较小时，两接触表面的接触峰点较少，挤压产生的摩擦热不足以使锻锤成型区形成连续的转移膜，仅为轻微的黏着磨损。随着压下率的增大，两接触峰值点的数量和尺寸均显著增加，接触面积增大，挤压产生的摩擦热也显著增加，锻锤成型区表面微粗糙峰在法向载荷作用下嵌入到硬度较小的工件表面，使得锻锤磨损量增大。

图2 锻锤磨损深度与压下率的关系

为进一步分析压下率对锻锤磨损行为的影响，锻锤锻造面工作区域分布示意图见图3，不同压下率下锻锤表面磨损率和磨损深度变化分别如图4和图5所示。结合图3～图5可知，当压下率为4%时，锻锤成型区磨损率波动较小，最大磨损深度位置位于成型区入口与出口处，平均磨损深度最小；随着压下率的增大，锻锤锻造面的磨损率和磨损深度均有所增大，并且压下率为5%和6%时，锻锤磨损深度峰值点均位于成型区入口处；当压下率为7%时，锻锤成型面的磨损率和磨损深度均较大，成型面磨损深度变化幅值较大，在成型区形成许多不规则的凹坑与凸起缺陷，其中在成型区和预成型区交界处磨损量达到最大，严重影响锻件表面质量。由此可见，减小压下率有利于减小锻锤磨损程度，磨损薄弱区位于成型区入口与出口处的过渡区域。

图3 锻锤锻造面工作区域示意图

图4 不同压下率下锻锤成型面磨损率变化

图5 不同压下率下锻锤成型面磨损深度变化

3.2 摩擦系数对锻锤磨损的影响

为进一步分析摩擦系数对锻锤磨损行为的影响，其他因素保持不变(锻锤预热温度500 ℃、锻造速度400 mm/s、压下率4%)，分别采用0.2、0.3、0.4、0.5的摩擦系数进行数值模拟，得到锻锤磨损深度随摩擦系数的变化如图6所示。由图6可见，当摩擦系数为0.2和0.3时，锻锤的磨损深度较大，均在2.8×10-6mm左右，随着摩擦系数增至0.4，锻锤的磨损深度显著降低，仅为2.1054×10-6mm，降幅约为24.8%，而当摩擦系数进一步增大时，锻锤磨损深度有所增大，增幅约为8.27%。由此可见，当摩擦系数选择为0.4时，可有效减少热锻时锻锤磨损量，从而提高锻锤的使用寿命。

图6 锻锤磨损深度与摩擦系数的关系

图7和图8为不同摩擦系数下锻锤成型面磨损情况变化。结合图3和图7可知，在锻锤成型区入口位置处，当摩擦系数为0.2，其磨损率最大为1.345×10-4mm/s，摩擦系数为0.4时，该位置的磨损率最小。整体来看，锻锤成型区中间位置的磨损情况优于入口区域，并且成型区出口处的磨损率最小。由图8可见，摩擦系数为0.2时，锻锤平均磨损深度最大，摩擦系数为0.4和0.5时，锻锤平均磨损深度变化特征相似，其中当摩擦系数为0.4时，锻锤的最大磨损深度相对较小。

图7 不同摩擦系数下锻锤成型面磨损率变化

图8 不同摩擦系数下锻锤成型面磨损深度变化

4 锻锤磨损分布特征

采用最优工艺参数组合模拟6个锻造循环步，得到各循环下锻锤磨损深度分布图如图9所示。在锻造第一次(t=0.03 s)后，锻锤成型区与工件完全接触，磨损最大区域分别为两个成型区与预成型区交界位置；第2～6次锻造过程中，每次锻造时压下率和锻造速度相同，锻件做周向和轴向进给。根据单位圆柱上锤迹的投影规律，结合锻件质量应满足端部不留台阶、表面不产生脊线以及相邻锤迹应至少重叠1/3的原则[9]，数值模拟设置较小的工件转速和轴向进给。由图9可见，第一步锻造后，工件表面形成锤头表面区域大小的凹槽，第2～6步循环锻造时，锻锤成型区一侧与工件凹槽边缘挤压接触，磨损量在锻锤成型区左侧积累，达到阈值后导致锻锤磨损失效。

在锻锤成型工作面选取8个有代表性的位置作为监测点来确定锻锤各区域的磨损情况，如图10所示。图11为各监测点表面温度随时间变化曲线，可以看出，P2和P6位置表面温度最高。P2是锻锤变形区与预变形区交界处，也是工件金属流动的过渡区，金属持续变形，使得该位置温度持续升高；P3位于锻锤工作面靠近右侧区域，第一次锻造过程中与工件挤压接触，为保证工件表面质量和芯部锻透性，工件的周向转速较小，导致在后续锻造过程中P3点与工件挤压接触减少，故P3点温度先升高后因与空气对流散热而降低，在0.054 s后趋于稳定；P4～P8点位于锻锤工作面中间靠左区域，是后续锻造过程的主要区域，与工件接触面积较大，第一次锻造时，随着锤头挤压深度的增加和热传递作用，锻锤表面温升较大，在后续锻造过程中，锻锤进给与后退工序交替进行，锻锤表面对流散热，表面温度缓慢增加，当与工件温差较小时，表面温度趋于稳定。锻造结束时刻，成型区各点表面温度大小排序为：P6>P2>P8>P4>P7>P1>P5>P3。

(a)0.030 s (b)0.054 s (c)0.078 s (e)0.102 s (f)0.126 s (g)0.150 s

图12为各监测点磨损深度随时间变化曲线，可以看出，锻锤在锻造过程中，锻锤各取样点磨损深度排序为：P6>P4>P8>P2>P1>P5>P7>P3，从磨损程度来看，锻锤预成型区与成型区过渡圆角位置和锻锤P4、P6、P8点为锻锤磨损最大区域。实际加工过程中，锻锤以一定咬入量开始锻造轴类工件，预成型区率先与工件接触，所以应重点检查该区域的磨损情况并及时修复，尽可能减少经济损失。

图10 锻锤表面数据采集点

图11 各监测点表面温度随时间变化

图12 各监测点磨损深度随时间变化

图13所示为各监测点压强随时间变化曲线，可以看出，除P3点，其他监测点的表面压强均较大，压强大小排序为P7>P5>P6>P8>P4>P1>P2>P3。P5、P7位置与工件接触面积小，故该位置表面压强较大；P4、P6、P8点位于成型区左侧与工件挤压接触的一条线上，压强值比较接近；P3位置只在第一次锻造过程中与工件挤压接触，最大压强为283.13 MPa，后续锻造过程中不再属于直接变形抗力的承受区域，所以该点压强保持为0；P7点在0.126 s时，表面压强达到最大值1488 MPa，其值小于该高温合金钢的屈服强度，故锻锤不会因变形而损坏。

图13 各监测点表面压强随时间变化

图14为锻锤现场失效图，可以看出，锻锤表面主要表现为挤压剥落的磨粒磨损，伴随少量的黏着磨损。热锻过程中，锻锤成型区过渡圆角处最先接触到工件，易产生应力集中而失效。成型区中间位置是锻造的主要区域，频繁地与工件接触，是冲击载荷和传热的主要区域。锻锤与轴向旋转进给的工件因摩擦热而发生熔融现象，表面组织受到损伤破坏而剥落，形成大量磨屑。

图14 锻锤现场失效照片

5 锻锤寿命预测

径向热锻过程中，随着锻造次数的增加，锻锤工作面磨损越来越严重，最终导致锻锤因磨损累积失效。为预测锻锤的疲劳寿命，以正交试验得出的最优参数组合对相同尺寸工件进行数值模拟，相同工况下锤击25次，得到单锤头打击力和磨损深度与打击次数的关系分别如图15和图16所示。

结合图15和实际生产经验可知，首次锻打时，锤头在接触和挤压工件过程中，锤头与工件的接触面积由0逐渐增大，锤头打击力逐渐增加，当锤头压至最低点时，锤头与工件接触面积达到最大值，锤头打击力达到峰值。为保障工件表面质量，工件转速和轴向进给速度均设置较小，所以从第二锤锻打开始，锤头与工件的实际接触面积减小且基本保持不变，并且工件的实际径向收缩率小于第一锤，故最大打击力减小并且趋于稳定。

图15 单锤头打击力随时间变化

图16 锻锤磨损深度与锻造次数的关系和拟合曲线

根据图16所示锻锤磨损深度随锻造次数x的关系，得到相应的拟合关系式为:

y(x)=-3.3×10-9x2+4.537×

10-7x-3.537×10-7

(6)

锻锤成型区公差为0.2 mm，故锻锤成型区许用磨损深度理论上应以临界值0.2 mm为标准。由于径向热锻过程未考虑环境因素，并且忽略了体积力、惯性力和弹性变形的影响，为减小与实际工况的误差，取10%的安全裕度。锻锤许用磨损深度临界值取0.18 mm，利用式(6)推算得到该条件下锻锤最大使用次数为488 731次。

6 结论

(1)基于Archard理论和正交试验设计，结合极差和方差分析法，得到锻锤磨损的主要影响因素的主次关系为：径向压下率>摩擦系数>锻造速度>锻锤预热温度，其中径向压下率和摩擦系数的影响最为显著，正交试验确定最优的工艺参数组合方案为：锻锤预热温度500 ℃、锻造速度400 mm/s、压下率4%、摩擦系数0.4。

(2)基于正交试验结果，对径向压下率和摩擦系数对锻锤磨损行为的影响进行数值模拟分析，所得结论与正交试验结果一致。

(3)采用最优工艺参数组合模拟6个锻造循环步，对磨损最严重的成型区取样点进行分析，得到锻锤成型区主要磨损位置位于P2、P4、P6、P8点所在区域，其中成型区入口处的过渡圆角区域也是易磨损失效的薄弱区域。

(4)采用最优参数组合数值模拟得到25次预锻成型的累积磨损量，结合锻锤许用磨损量临界值，反推得到该锻锤的磨损寿命为488 731次。经参数优化后的径向锻造锻锤磨损量明显减小，符合生产加工要求。