核電反應堆主管道接管芯軸拔長的模擬研究

咸業磊，高錦張，賈俐俐，王興中，馬武江

(1.東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189； 2.南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188；3.江蘇新閔重型鍛造股份有限公司，江蘇 東臺 224200)

0 前言

大型鍛件是核電、船舶、石化等國家重型裝備的關鍵基礎部件，技術要求高，生產周期長，對相應的工藝設備以及鍛造工藝參數要求嚴格，其鍛造品質直接影響到裝備整體運行的可靠性[1]。隨著核電能源的普遍利用和發展，大型鍛件具有廣闊的應用前景，同時對其安全可靠性提出了更高的要求[2]。

有限元模擬是鍛造工藝研究的重要輔助手段，能夠為制定合理鍛造工藝參數提供理論依據，以指導實際鍛造生產。本文研究的核反應堆主管道接管鍛件具體尺寸以及試環的截取如圖1所示。

主管道接管采用實心鋼錠鍛造，主要的鍛造變形過程由五個部分組成：1) 熱切頭尾，將鋼錠倒棱為八方柱體；2) 十字鐓拔，采用大鍛造比，擊碎粗大的鑄態組織，消除鋼錠內部的鑄造缺陷，獲得細小的晶粒組織，改進鍛件毛坯的質量；3) 鐓粗沖孔，采用實心沖頭沖孔；4) 芯軸拔長，為主要的成形工序；5) 立料鐓粗，消除空心鍛件的端面不平整。

圖1 核電主管道進口接管

芯軸拔長作為主要的成形工序，是為了獲得品質均勻、外形尺寸精確的目標鍛件。合理的芯軸拔長工藝參數可以提高拔長效率，減小空心鍛件的內孔畸變，使得鍛件組織處于三向壓應力的狀態，并獲得均勻的應變場。本文利用有限元軟件模擬芯軸拔長的過程，研究不同進給量、壓下量對鍛件內部應力場、應變場和鍛件外形尺寸的影響。

1 芯軸拔長方案與有限元模擬

鍛造工藝中的芯軸拔長工序是局部區域承受外部載荷而產生塑性變形，目標鍛件的成形過程是局部變形的累積體現。因此，局部變形區域中合理的應力場、應變場和塑性變形程度，是保證目標鍛件整體質量的前提。在模擬過程中，著重分析單個工步的塑性變形狀態。

1.1 芯軸拔長方案

芯軸拔長前，毛坯經鐓拔、沖孔以及整形之后的尺寸為d2400×D600×1400mm，芯軸拔長之后的尺寸為d1720×D600×2780mm，分兩火完成，每一次的燒損率δ取2.1%。為了提高拔長效率，避免內孔在拔長過程中產生較大的畸變，芯軸的直徑應盡可能的接近坯料內徑的尺寸[3]。選用上平砧下V形砧拔長，V形砧的角度為120°。

為了保證鍛件品質的均勻性以及鍛件尺寸的精確性，在拔長過程中要按照一定的次序進行操作。芯軸拔長的操作方法主要有兩種：1) 沿軸向依次進給，軸向拔完一趟之后，芯軸連同鍛件轉過一定的角度，然后再沿軸向拔長；2) 上砧每壓下一次，鍛件轉動一次，單個進給量上壓下一周，然后沿軸向進給，再沿切向旋轉鍛造。為了防止端面開裂，選用方法2)，先拔兩端，再拔中間。

1.2 有限元模型的建立

選用DEFORM-3D有限元分析軟件進行數值模擬，有限元模型如圖2所示，在鍛造模擬過程中，上下砧以及芯軸均看做剛體，不發生塑性變形，但與環境以及坯料之間存在熱交換。模具選用完整熱傳導模式[4]，模具需進行網格劃分，其模擬結果的準確性相對簡單熱傳導模式而言精確度比較高。上下砧與坯料之間的摩擦系數為0.7，熱傳系數為4N/sec/mm/℃，坯料與空氣的熱傳系數為0.02 N/sec/mm/℃。

圖2 芯軸拔長有限元模型

為了研究工藝參數對鍛件品質的影響，進給量分別取300mm、400mm、500mm、600mm、700mm，壓下量分別取10%t、15%t、20%t、25%t、30%t，其中t是空心鍛件的厚度，為890mm。研究主變形區域的變形規律以及其應力場、應變場。上平砧下V砧拔長時，變形主要集中于平砧與芯軸之間，因此主要分析平砧與芯軸間金屬的變形[5]。

2 變形區金屬流動規律分析

芯軸拔長時的進給量和壓下量對金屬的塑性流動方向有很大影響。當進給量和壓下量較小時，金屬多沿軸向流動，軸向的變形程度大，而橫向的變形程度小，有利于拔長。但是總的進給次數會增加，降低了拔長效率，特別是當壓下量較大時會造成表面折迭和端面內凹等宏觀缺陷。當進給量和壓下量較大時，塑性變形區的中心部分處于三向應力狀態下，鍛件的內部質量可以得到保證。而進給量和壓下量過大時，變形區會因展寬過多而降低拔長效率，同時產生橫向拉應力而引起開裂[6]，不難看出選擇合理的進給量和壓下量是非常必要的。

2.1 進給量和壓下量對拔長效率的影響

在主變形區域，鍛件變形后的軸向最大長度為Lmax，其初始長度為L0，定義拔長率λ=(Lmax-L0)L0。圖3為鍛件在單個工步下，拔長率與壓下率的關系圖，進給量和壓下量的變化對拔長效率有不同幅度的影響。當壓下率小于20%時，拔長率處于一個較低的水平，主要因為壓下越小，上砧與鍛件接觸區域的寬度越小，金屬沿軸向流動量??；當壓下率大于20%時，拔長率有上升較為顯著。

圖3 拔長率—壓下率關系圖

圖4截面為芯軸與上砧之間的空心鍛件子午面。從中可以看出，當進給量小于500mm，主變形區主要集中在鍛件與上砧接觸的部分，而中部以及靠近芯軸的下部變形較小，造成了端面不平整；當進給量大于等于500mm時，主變形區域的變形逐漸均勻，中部和下部的變形量增大，拔長率提高，并且降低了端面不平整度。金屬在沿軸向方向流動時，由于是局部變形，受到兩側未變形端的阻礙作用，而橫向方向未變形部分的體積相對較小，阻礙作用小。因此，在壓下率較大時，雖然拔長率也變大，但是金屬由于橫向流動而造成的展寬也變得嚴重，不利于芯軸拔長的進行。例如，當壓下率為30%，進給量為500mm時展寬造成的徑向尺寸增大量ΔR達47mm，且隨著進給量的增大展寬量增大。

因此，綜合考慮變形區金屬的塑性流動情況，應在獲得較大拔長率的前提下，盡量減少鍛件變形的不均勻性，降低端面不平整，并抑制金屬橫向展寬過多。分析可得壓下率取20%～25%之間，進給量取500mm～700mm時，可以得到較好的變形結果。

圖4 不同進給量下鍛件內部的變形程度

2.2 進給量和壓下率對內孔畸變的影響

在芯軸拔長過程中，內孔畸變是鍛件品質缺陷的主要表現之一，如圖5所示。為了避免內孔壁附近的金屬受到切向拉應力而造成裂紋等缺陷，應盡量減輕內孔畸變。定義內孔畸變率ω為ω=(dmax-d0)d0，其中dmax為畸變后內孔徑向的最大尺寸，d0為鍛件內孔的初始直徑。

圖5 芯軸拔長內孔畸變示意圖

圖6 內孔畸變率—壓下率關系圖

圖6為內孔畸變率與壓下率、進給量的關系圖，隨著壓下率、進給量的增大，內孔畸變也變得嚴重。以壓下量為20%t為例分析內孔畸變與進給量的關系：如圖7所示，上砧與鍛件接觸區域的橫向寬度一定，隨著進給量的增加，整個變形區域的軸向長度增加，塑性變形區金屬的流動規律也發生變化，隨著變形區軸向長度的增加，金屬沿橫向流動增多，根據圖8所示，變形區金屬A沿橫向流動時，會擠壓區域B一道沿橫向流動，造成內孔畸變增加；當壓下率較大時，也使得金屬沿橫向流動增加。

圖7 芯軸拔長局部變形示意圖

圖8 芯軸拔長時金屬變形流動情況

由以上分析可得，進給量越小，壓下量越小，內孔畸變率就越小。

3 變形區應力應變分析

靜水應力和等效應變是鍛件內部的孔穴等缺陷封閉的決定性因素[7]。靜水應力越大，鍛件內部的裂紋等缺陷越容易閉合；等效應變分布越均勻，鍛件內部整體質量就越均勻，得到的鍛造效果越好。

3.1 進給量和壓下率對應力分布的影響

圖9 平砧時壓下量為25%時，不同進給量下靜水應力分布圖

圖9所示為主變形區域靜水應力分布圖，取芯軸與上砧之間的子午面進行分析。由圖可見，隨著進給量的增加，較大靜水壓應力值(絕對值)所占的區域比例不斷增大。靜水壓應力較大時，能夠抑制裂紋的產生，促進缺陷的閉合，靜水壓應力絕對值比較小時，效果不明顯。

a) 當進給量小于400mm時，大靜水應力區域，即12.5～25MPa所占區域主要集中在鍛件與工具接觸上下部分，而塑性變形區域中心部分的靜水應力值較小，從圖中可以看出，在平砧壓下區域存在一個靜水應力較小的“凹坑”。在這種情況下，變形區域中心部分的品質難以得到保證，特別是當存在拉應力的時候，會產生微裂紋等缺陷。當進給量大于500mm時，這一缺陷得到了改善，較大靜水應力值區域所占比例提高，并且隨進給量的增大而增大。

b) 從圖9中可以看出，顏色較深的區域的靜水應力值最大，一部分位于上砧的圓角處，另一部分位于鍛件內壁與芯軸接觸的區域，隨著進給量的增加，鍛件與芯軸接觸的大靜水應力值區域所占比例提高，可以保證空心件的內壁有足夠的變形，以改善這一部分的組織?？變缺诘墓ぷ鳝h境比較惡劣，對內壁力學性能要求比較高，大靜水壓力有利于鍛件內壁品質的改善。

圖10為芯軸拔長變形區域的中心點的靜水應力值在不同壓下率下的變化情況，中心點位于子午面變形區域的中心，如圖9(e)所示。從圖中可以看出，當進給量小于500mm時，中心點的靜水應力值隨壓下率的變化幅度較小，而且靜水壓力值也較??；當進給量大于500mm時，靜水應力隨壓下率的變化幅度較大，兩者呈近似的拋物線關系。

圖10 不同壓下率下的靜水應力分布

綜上所述，當進給量大于500mm時，壓下率大于20%時，芯軸拔長變形區域大靜水應力值分布范圍較大，靜水壓力值較高，可以保證變形區內部品質的穩定性，同時可以改善鍛件內空壁品質。

3.2 壓下率與進給量對等效應變分布的影響

在鍛造過程中，為了保證鍛件品質整體的均勻性，應首先使每一工步下變形區應變盡量均勻。對于芯軸拔長，并非是變形越劇烈，對工件性能改善越好，在開坯階段，鍛件以大的變形比進行鐓拔，已經達到了改善鍛件品質的目的。因此，芯軸拔長階段，應力求變形的均勻程度。根據衡量變形均勻程度的方法—大區域比例[8]，可以引申得到：對于一個分布不均勻的應變場，中等變形區域占總變形區域面積的比值為此應變場的均勻變形率。其中，變形區域臨界值由公式：ε=αεmax決定。在一個局部加載的應變場中，應變最小值為零，最大值為εmax，ε為臨界值系數因子，定義當0.6<α<0.9時的應變區域為中等變形區域。

圖11為進給量300mm時，不同壓下率等效應變分布圖，截面位置距離端面為1/2進給量的長度，應變值在0.167～0.25范圍內的應變區域為中等變形區域。隨著壓下量的不斷增加，主變形區域的面積不斷擴大，大應變值區域主要分布于上砧與鍛件的接觸區域附近，并隨著壓下率增大逐漸向主變形區心部擴散。

圖11 進給量為300 mm時，不同壓下率應變分布

圖12為均勻變形率與壓下率的關系圖。在壓下率為25%t時均勻變形率達到最大，隨著壓下率的進一步增大，在主變形區出現了大應變區域，均勻應變率有所降低。進給量對均勻變形率也具有一定的影響，主要表現在壓下率為25%時，隨著進給量的增加，均勻變形率降低。因為對于公稱壓力一定的壓力機，當鍛造體積越大時，鍛造效果越不好。

綜上所述，壓下率在25%左右時，可以得到最大的均勻變形率。此時，主變形區的金屬變形最為均勻。在不影響其他鍛造效果的前提下，進給量取較小的值為宜。

圖12 均勻變形率—壓下率關系圖

4 結論

通過對芯軸拔長數值模擬分析，可以得出芯軸拔長在不同工藝參數下的變形與應力應變分布的規律。綜合考慮進給量和壓下量以及錯砧角對各種指標的影響，可以得到以下結論：

1) 壓下量在20%～25%t左右是比較合理的，在這個范圍內其變形均勻率達到最大，同時拔長率以及靜水壓力也處于較高的水平，但內孔畸變較高。

2) 當進給量為500～600mm時，可以得到良好的大靜水應力值分布區域，不會有壓應力“凹坑”缺陷的存在，并且拔長效率處在較高的水平?？紤]到對應變均勻程度的影響，可以適當的降低進給量。

[1] 劉建生.我國大鍛件行業發展瞭望[J].金屬加工(熱加工).2011，9：8，25.

[2] 王銀毓.我國大型鑄鍛件行業分析[J].對外經貿.2013，1：79-81.

[3] 闕基容，俞巍巍.鋁合金筒體鍛件芯軸拔長工藝及生產特點[J].鋁加工，2003，5：19-22.

[4] 張莉，李升軍.DEFORM在金屬塑性成形中的應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

[5] 陳英，鐘志平，邊翔，等.核電壓力殼鍛件芯軸拔長工藝V砧砧角的常溫實驗室模擬[J].塑性工程學報，2000，7(3)：52-56.

[6] 呂巖， 鍛壓成形理論與工藝[M].北京.機械工業出版社，1991.

[7] 王雷剛，黃瑤，劉助柏.大鍛件拔長工藝研究進展與展望[J].塑性工程學報，2002，9(2)：28-31.

[8] 何利東，張光明.模擬技術在大鍛件工藝改進方面的應用[J].鍛壓技術，2006， 31(6)： 12-16.