壓方圓角對長軸類大鍛件質量影響研究

李光喜，吳玉忠，郭 揚

(1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州工業職業技術學院，貴州 貴陽 550008)

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壓方圓角對長軸類大鍛件質量影響研究

李光喜1,2，吳玉忠1，郭 揚2

(1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州工業職業技術學院，貴州 貴陽 550008)

長軸類大鍛件的鍛造過程一般分為壓方、拔長和倒棱滾圓三大步驟，目前對鍛造工藝研究較多的是拔長和倒棱滾圓的優化，很少有對壓方工藝優化的研究。本文從V型砧邊緣的圓角半徑的大小來對長軸類大鍛件的壓方過程進行模擬優化，從鍛件內部應力、應變及破壞因子三個方面進行對比分析。結果表明，適當增大V型砧邊緣的圓角半徑可以有效防止鍛件裂紋的產生，為鍛件的質量提高和結構設計提供一種有效、可靠的分析方法。

軸類大鍛件；壓方；裂紋；破壞因子

0 前言

長軸類大鍛件如大型軋輥、傳動軸、汽輪機轉子等, 一般用于機器設備的關鍵和核心部位,是制造重大裝備的基礎件, 其制造對鍛造技術水平和工藝設備要求均十分嚴格。大型鍛件產業的發展是衡量一個國家工業水平和國防實力的標志之一[1-2]。由于大規格長軸類鈦合金在鍛造時極易出現裂紋等缺陷，需要重視每個鍛造過程以保證最終質量。長軸類大鍛件的鍛造過程一般包括壓方、拔長和倒棱滾圓等多個工序，目前國內外學者在大鍛件的拔長、倒棱滾圓工藝上做了很多研究，而對壓方工藝研究較少。文獻[3]對平砧壓方工藝過程進行了有限元模擬，探討了不同的壓下量、接砧量等工藝參數對鍛件表面質量和內部應力狀態的影響，未涉及V型砧壓方工藝及其在壓方時鍛件裂紋預測、鍛透性等特征。文獻[4]對平砧和V型砧壓方工藝分別進行了有限元模擬，探討了兩種不同砧型對鍛件內部應力狀態，鍛件裂紋預測，鍛透性的影響，但未考慮到在鍛件壓方時V型砧邊緣圓角半徑大小對其鍛件內部應力、應變及鍛件裂紋的影響。

本文以80 MN的液壓機鍛造某飛機用鈦合金長軸類大鍛件為研究內容，基于有限元軟件Deform，對壓方過程進行模擬分析。分析了V型砧邊緣不同圓角半徑對鍛件質量的影響，從而確定了鍛件在壓方時V型砧邊緣圓角的合理有效半徑范圍。合理的邊緣圓角有利于防止缺陷的產生，提高鍛件的質量，對實際生產具有指導意義。

1 分析模型的建立

為了分析V型砧邊緣圓角半徑的大小對壓方過程中鍛坯塑性變形區內應力和應變分布的影響，本模型采用120 V型砧，邊緣圓角半徑設定為0 mm、20 mm、40 mm，V型砧材料采用模具鋼4Cr5MoSiV1，鍛件材料為鈦合金Ti-6AI-4V。結構尺寸與材料屬性見表1。

表1 材料的物理性能

當砧寬比為0.6～0.8時有利于中心壓實，而且隨著砧寬比的合理增加，更有利于提高鍛件的探傷結果[5]，本分析模型取型砧寬度為350 mm(砧寬比為0.7)，三種型砧壓方模型見圖1。

2 工藝參數的設置

為了避免模具和坯料接觸時溫度發生突變，鍛造之前將模具預熱至300℃，上下砧同時運動，速度均為10 mm/s，總體的壓下速度為20 mm/s，壓下量為20%。鍛件初始溫度為1 025℃,環境溫度設為28℃，鍛件與上、下砧間傳熱系數為11,鍛件與環境間傳熱系數為0.02。軸類大鍛件鍛造時，為提高拔長效率送進量取砧寬的0.87倍，鍛件固定，讓V型砧做進給運動，進給量為270 mm。

圖1 三種V型砧壓方模型Fig.1 Squaring models of the V-shape forging

3 結果比較與分析

破壞因子(damage)是用以評價鍛件的內部是否出現裂紋的一個非常重要的指標，破壞因子的值越大鍛件出現裂紋的可能性就越大。鍛件的壓方實驗由于壓下量比較小，裂紋一般出現在鍛件的表面，在后續的拔長和倒圓時鍛件表面的裂紋進一步加大就會造成鍛件內部裂紋的產生，所以鍛件早期壓方工藝條件的優化可以有效控制裂紋的產生，從而保證鍛件的最終質量。

圖2 壓方時鍛件的破壞因子分布圖Fig.2 Damage distribution of the forging in squaring process

圖2是V型砧邊緣圓角半徑取不同值時，對鍛件壓方時鍛件截面破壞因子的分布圖。從圖中可以看出，V型砧邊緣圓角的半徑越大，鍛件的表面及內部的破壞因子越小，即鍛件產生裂紋的可能性就會變小。可見，V型砧邊緣圓角半徑越大，越有利于控制鍛件裂紋的產生。

3.1 應變的分析

圖3 壓方時鍛件的內部應變分布圖Fig.3 Internal strain distribution of the forging in squaring process

從圖3中可以看出：大部分的變形主要發生在靠近鍛件的表面處，心部的應變范圍比較小，主要是由于鍛件壓方時，壓下量較小，對于心部比較難鍛透。從圖中應變的數值上來說，隨著V型砧邊緣圓角的增大，鍛件的內部應變越來越小，即三者的最大應變值分別為1.06、1.04、1.02，可以看出三者的差值很小，可見，V型砧邊緣圓角的大小對于鍛件的內部應變影響較小。

3.2 應力的分析

圖4 壓方時鍛件的軸向內部應力分布圖Fig.4 Axial internal stress distribution of the forging in squaring process

圖5 V型砧壓方時鍛件的橫向內部應力分布圖Fig.5 Transverse internal stress distribution of the forging in squaring process

圖4、5為鍛件的內部軸向和橫向應力分布圖，從中可以看出，V型砧邊緣圓角半徑為0 mm時，鍛件的內部在橫向(Z向)較多存在為拉應力，而軸向(Y向)拉應力主要分布在邊緣部分；圓角半徑為20 mm時，鍛件的橫向和軸向上都出現了壓應力，且都在邊緣部分；圓角半徑為40 mm時，鍛件的邊緣在軸向上出現了壓應力且比前兩種情況都大，相反在橫向上的壓應力則大面積出現在鍛件的心部。

在鍛造的過程中，鍛件的內部及邊緣分布為拉應力時，極易導致鍛件裂紋的產生，理想狀態是使鍛件的橫向和軸向均產生一定的壓應力。從上述的分析中可知，V型砧邊緣圓角半徑為0 mm時，鍛件的表面及內部容易產生裂紋；V型砧邊緣圓角半徑為20 mm和40 mm時，鍛件的邊緣和內部產生裂紋的可能行要小，但后者更有利于防止裂紋的產生和鍛件內部空洞的鍛合，鍛造效果更佳。

4 結 論

(1)V型砧邊緣圓角半徑越大，越容易使鍛件內部的拉應力轉化為壓應力，同時破壞因子的值也隨之減小，很好的控制了軸類大鍛件內部裂紋的產生。

(2)對于鍛件的內部應變來說，隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大鍛件內部應變會減小，但是變化不大，對鍛件的整體質量不會產生太大的影響。但是V型砧邊緣圓角半徑過大V型砧的進給量減小，直接影響拔長的效率。

因此適當增加V型砧邊緣的圓角半徑有利防止軸類大鍛件內部裂紋的產生，保證鍛件的質量，為后續的拔長、倒棱滾圓等工序打下良好的基礎。本文對實際的生產具有很好的指導意義。

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Influence on the quality of forgings long-axis heavy forgings in squaring process

LI Guang-xi1,2, WU Yu-zhong1, GUO Yang2

(1.School of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China;2.Guizhou Industry Polytechnic College, Guiyang 550008, China)

According to the characteristics of long-axis heavy forgings. The whole forging process of longaxis heavy forging was divided into three steps, including squaring, stretching and chamfering rounding. Researches of forging process are now focused on the optimization of stretching， but hardly on forging process optimization. By means of DEFORM-3D software, edge radius of V-shaped anvil were simulated and optimized from aspects of internal stress state, stress and the damage factor in squaring process. Results of Simulation show that appropriate edge radius of V-shaped anvil can prevent forging cracks and improve the quality of forgings.

long-axis heavy forgings; squaring; crack; damage factor

2014-07-25；

2014-08-16

李光喜(1983-)，河南新野人，工學博士，主要從事制造工藝與裝備、先進機電裝備設計與工程分析研究。

TG316

A

1001-196X(2015)01-0040-03