基于Deform 的316L 六角螺栓头部模锻成形研究

2023-02-28李轶明侯现仓祖印杰宋冬廉达李泽奇唐山首钢京唐西山焦化有限责任公司河北省煤焦化技术创新中心

锻造与冲压 2023年3期

文/李轶明，侯现仓，祖印杰，宋冬，廉达，李泽奇·唐山首钢京唐西山焦化有限责任公司，河北省煤焦化技术创新中心

螺栓是焦化厂最常用的零部件之一。螺栓由“头部”“杆部”两部分组成，且“杆部”有螺纹，通常用于紧固连接两个或两个以上的、带有通孔的零件，在使用时通常需要螺母进行配合。螺栓的种类很多，按螺栓头部的形状可分为外六角螺栓、内六角螺栓、双头螺栓、圆头螺栓、方形头螺栓等。316L 不锈钢具有耐腐蚀性、耐高温性、抗蠕变性好等特点，被广泛应用于焦化厂的管道、换热器板片、法兰、阀门、螺栓等零件，对延长设备、零件的寿命，提高设备的稳定性等方面有很大的推动作用。

螺栓头部的成形一般采用模锻成形，根据加工材料的不同，其成形工艺也有一定的不同，常用的工艺有冷模锻、温模锻和热模锻。研究螺栓头部的模锻成形，有助于对其成形机理进行分析和讨论，能够为其成形过程提供一定的理论指导。近年来，国内外也有不少学者对螺栓头部的成形工艺进行了许多研究。付利国等对TA15 合金的高强度螺栓模锻成形进行了研究，并通过分析锻件的显微组织和力学性能，得到了适合TA15 合金螺栓模锻成形的工艺参数。汤涛等对GH4169 合金十二角头螺栓热镦成形过程进行了有限元仿真，并对成形工艺参数进行了优化。Doddamani M R 等利用AFDEX 软件模拟双头螺栓闭式模锻成形工艺，对提高零件的使用寿命提供了一定的理论指导。H.，T.，Jin 等利用仿真和试验相结合的方法研究了侧螺栓的辊锻工艺，并利用试验对仿真结果进行了验证。R Rajiev 等利用ANSYS 软件对平头螺栓的成形过程进行了有限元仿真，并分析了摩擦对模具磨损及材料流动规律的影响。S.，S.，Han 等提出了一种有效的方案来消除刚性或弹性区域的塑性变形，并且该方案成功应用于模拟长螺栓锻造过程。林仕伟等研究了不锈钢/碳钢复合螺栓成形过程，得到了不锈钢壁厚和热镦速度对成形结果的影响规律。赵庆云等通过有限元数值模拟和试验相结合的办法，揭示了钛合金六角头螺栓的头部成形原理和变形特点。但目前，有关316L 六角螺栓头部模锻成形的研究还相对较少。

因此，本文以焦化厂化工区域常用的316L 六角螺栓为研究对象，利用Deform-3D 有限元仿真软件对316L 六角螺栓头部的模锻成形过程进行了有限元仿真，揭示了316L 六角螺栓头部在模锻成形中的变形机理，旨在为316L 六角螺栓头部模锻成形的实际生产提供一定的理论依据。

模锻成形方案设计

本文研究的对象是焦化厂化工区域常用的316L不锈钢六角螺栓，其规格尺寸为M12×50mm。图1为设计的模锻前的坯料尺寸图，直径为12mm，长度为67.24mm。

图1 模锻前的坯料尺寸图

设计所选用的材料为316L 不锈钢(00Cr17Ni14Mo2)，其具体成分如表1所示。为了使316L 不锈钢在成形过程中充分发挥其良好的塑性加工性能，保持更稳定的金相组织，成形的方式采用的是模锻成形。

表1 316L 不锈钢化学成分(质量分数，%)

整个成形过程分为三个阶段：第一阶段为坯料与周围环境之间的换热过程；第二阶段为坯料与模具之间的换热过程；第三阶段为坯料的模锻成形过程。其具体的有限元仿真过程在下一节做具体分析。

模锻成形数值模拟设计

有限元模型的假设

在六角螺栓模锻成形过程中，“头部”是主要变形区域，并且“头部”的变形主要分为两种形式：一是轴向的压缩；二是径向的延展。同时还要将锻件与周围环境及模具之间的换热过程、模具材料的选择等因素都考虑进来。因此，在六角螺栓的有限元模型设计过程中，做出了如下假设。

⑴定义上、下模具均为刚性体。在六角螺栓的实际成形中，模具的变形非常小，可视为不发生变形，且对于模具的磨损也忽略不计。因此，在有限元仿真中也这样设置，与实际保持一致。

⑵定义锻件为塑性体。在六角螺栓模锻成形中，锻件发生的是永久的塑性变形和弹性变形。其中，永久的塑性变形是主要目的，而将弹性变形忽略不计。因此，在有限元仿真中也将锻件设置成塑性体。

⑶上模具匀速运动。在实际成形中，模具的运动速度不是一个恒定的值，而是一个加速-匀速-减速的运动过程，但为了方便研究模锻过程，将上模具的运动定义为匀速运动。

⑷均匀性假设。锻件在实际的变形过程中，各部位并不是均匀变形的，但模锻又是对称的成形工艺，且锻件也为对称的塑性体，但在研究时，将锻件的受力、变形假设为均匀的。

传热边界条件的设置

在六角螺栓的模锻成形中，传热边界条件对模锻结果有很大影响。因为在模锻过程中，锻件会与周围环境发生热交换、与模具发生热传递，同时还会由于摩擦及变形产生热。因此，在有限元仿真中要将这些因素对模锻结果的影响考虑进来。表2 给出了316L 六角螺栓模锻成形过程中的相关工艺参数的设置情况。

表2 316L 六角螺栓模锻仿真工艺参数

遵循的损伤准则

锻件在模锻成形中会产生断裂、损伤等现象，因此在模拟六角螺栓模锻成形时，要添加损伤准则。断裂损伤准则有许多种，本文选用的是Deform 默认的Crockroft-Latham(C-L)损伤准则，该准则形式简单、易于嵌入到有限元软件中，适用于绝大多数的模锻成形数值模拟，其表达式如下：

式中：

——最大主应力；

——断裂应变积分能量W 的临界值；

——等效塑性应变。

模型的建立

图2 为焦化厂化工区域常用的一种316L 不锈钢六角螺栓尺寸示意图，其规格尺寸为M12×50mm。

图2 模锻后的工件图

模锻过程仿真通过Deform 6.1 来完成。首先利用CREO 绘制出六角螺栓坯料和上、下模具的三维模型，并保存成.STL 格式，然后将其导入Deform 软件的前处理中，建立模锻过程的有限元模型。接着对导入的模具和坯料进行基本参数的设置，并对其位置、运动参数、热交换参数等进行设置，如图3 所示。最后生成有限元仿真数据库，开始进行模锻过程数值模拟。模拟过程共设置850 步，其中前50 步为坯料与周围环境间的热交换过程，50 ～100 步为坯料与模具及周围环境间的传热、换热过程，100 ～850 步为坯料模锻成形过程。模锻过程简图如图4 所示，步长间隔为250 步。其中，为了更清楚地了解坯料在模锻成形中各部位的变化情况，选取模型的1/2 进行观察。

图3 有限元模拟

图4 模锻过程简图

结果与讨论

锻件等效应力场分布图

图5 为螺栓锻件在模锻成形过程中的等效应力场的分布图。从图中可以看出，螺栓锻件应力主要集中在“头部”，因为“头部”为主要变形区域；模锻开始时，应力主要集中在锻件“头部”与“杆部”连接的地方，随着模锻的进行，分布在锻件上的应力有所增大，且最大应力区域逐渐向“头部”的中心移动。到了模锻后期，螺栓锻件整体的应力逐渐减小到0，标志着成形结束。图中显示，最大应力为3390MPa，这是由于模锻后期可能存在 “飞边”，“飞边”处的应力在模具的挤压下，可能会很大，属于正常现象。

图5 模锻过程锻件等效应力场分布图

锻件等效应变场分布图

图6 为螺栓锻件的等效应变随着时间的变化情况。从图中可看出，锻件的高应变区域主要分布在锻件“头部”的中心位置，由中心向边缘，应变逐渐变小，应变区域整体呈轴对称分布。随着模锻的进行，应变逐渐变大，进入模锻末期，锻件“头部”中心位置成形基本完成，边缘位置还在继续，故中心的应变低于边缘。最后，锻件“头部”的边缘位置的应变最高为2.92，这是由于在上、下模具的作用下，锻件要充满整个模具，而边缘又是最难到达的位置，故受到的力较大，应变也就最大。

图6 模锻过程锻件等效应变场分布图

锻件金属流动规律图

图7 给出了螺栓锻件在成形过程中的金属流动情况。由图可知，锻件“头部”的金属流动速度从上往下由大变小，这是由于锻件在成形过程中，上模具为主动运动，带动锻件向下运动，故锻件“头部”的上部分的运动要超前于下部分，产生的形变也快于下部分，故金属流动速度也最大。从整体来看，锻件“头部”上部分的金属流动主要为轴向运动，下部分的金属流动轴向、径向都有，这说明螺栓锻件“头部”的成形是轴向压缩和径向延伸的混合变形。整个模锻过程中，金属流动的速度呈先增大后减小的趋势变化，进入模锻后期，速度逐步趋于为0。

图7 模锻过程锻件金属流动规律图

锻件温度场分布图

图8 记录了螺栓锻件温度场随着模锻进程的变化。其中前100 步为锻件与模具及周围环境的换热过程。在100 步时，锻件中心位置的温度高于表面，这是由于锻件表面与模具接触，发生了热传导。随着变形继续，锻件的温度逐渐升高，最高温度可达1400℃，最高温度主要出现在螺栓锻件“头部”的中心位置，这是由于“头部”是主要的变形区域，锻件发生塑性变形，金属大量流动，金属晶体发生相对移动，摩擦会使金属锻件产生内能，故温度高于其他区域。随着模锻的进程，螺栓锻件的温度先增大后降低，模锻完成时，锻件温度最低，然后进入自然降温阶段。