物理模擬及DEFORM仿真技術在大型鍛件鐓粗工藝中的應用

何利東，李海榮

（四川工程職業技術學院 材料系，四川 德陽 618000）

大型鍛件的生產能力在國民經濟建設中占有重要地位。核電壓力殼（RPV）是核電工程關鍵性部件，其工作條件決定了RPV必須具有各種良好的機械性能，尤其是韌性指標必須達標[1]。這些大鍛件鍛造所用鋼錠中難以避免地存在疏松、粗大樹枝晶等鑄態缺陷，尤其是孔洞的存在直接影響鍛件的質量。因而對于如何鍛合孔洞改善鍛造質量的研究已成為鍛壓領域中被十分重視的研究課題[2]。大型鍛件一般都有數十噸乃至數百噸重，生產過程復雜，生產周期長，價格昂貴，報廢一件就要造成巨大的經濟損失。因此，采用模擬技術來研究大鍛件成形工藝不失為一種簡便，經濟而有科學參考價值的有效方法。

1 物理模擬與DEFORM仿真原理及模擬方案

相似理論是指導模擬實驗，分析實驗結果，并將實驗結果推廣于實際應用的基本理論。塑性成形的相似理論，可歸結為幾何相似、物理相似及加工條件相似等三方面的相似條件[3]。

研究方案中，物理模擬采用鉛在常溫下的變形來模擬大型鍛件在高溫狀態下的變形。

DEFORM有限元分析系統是美國SFTC公司開發的一套專門用于金屬成形的軟件。通過在計算機上模擬整個加工過程，可減少昂貴的現場試驗成本，為大鍛件工藝的制定提供較精準的科學依據[4]。

通過物理模擬及DEFORM仿真研究普通鐓粗及其改進的凹型坯料鐓粗兩種工藝，分析對比兩種模擬方法用于該工藝研究的結果。

1.1 物理模擬實驗方案

按照上海重型機器廠的RPV鍛造工藝使用鋼錠尺寸，按相似理論制作實驗試件，采用一組?50X35鉛試件，采用上下平砧在300kN萬能材料試驗機上進行鐓粗實驗。模擬實驗中的試件變形采用坐標網格法定量計算其真實主應變及其方向，輸出應變場等數據用于實驗結果分析。

1.2 DEFORM仿真模擬方案

DEFORM仿真前處理的主要建模數據為：①坯料溫度1100℃，上下砧溫度300℃；②坯料材質38MnSiVS5；③網格數量20000個；④加壓速率20mm/s；⑤熱鍛摩擦系數0.3。

圖1、圖2分別為RPV所用普通坯料及凹型坯料幾何模型圖。為研究坯料內部孔洞鍛合機理，特在坯料子午面上沿高度方向設計有一排孔洞。

2 模擬實驗及DEFORM仿真模擬結果分析

2.1 結果對比分析

圖 1 普通鐓粗試件及孔洞尺寸設計

圖2 凹型坯料鐓粗試件及孔洞尺寸設計

對鉛試件鐓粗實驗坐標網格法輸出結果與DEFORM仿真結果進行對比分析。

坐標網格法求解變形的主要過程如圖3所示。

圖3 坐標網格法處理大變形的示意圖

平砧鐓粗圓柱坯料時，由于坯料和工具之間存在摩擦，鐓粗后坯料的側表面變成鼓形，坯料內部變形不均勻。一般地，鐓粗后坯料內存在三個變形區，中部為大變形區，兩側表面附近為小變形區，而上下表面附近區域為難變形區。

圖4為鉛試件鐓粗36.4%坐標網格法輸出的二維等效應變等值線圖，由圖可明顯看出以上鐓粗變形分布特征。

圖4 ?50×35鉛試件平砧鐓粗36.4%的ES等值線圖

DEFORM模擬幾何模型?50×35兩種坯料鐓粗，模擬結果數據經后處理后，可輸出2D、3D多種變形分布結果。圖5、圖6為幾何模型?50×35普通鐓粗36.4%的ES等值線圖、ES立體區域分布圖及比例圖表等。

由以上模擬結果可看出，物理模擬與DEFORM仿真輸出的鐓粗變形分布基本是一致的，但物理模擬不僅實驗過程復雜，處理數據效率低下，研究周期長，且輸出結果是二維的，僅限坯料子午面上的變形分布；而DEFORM仿真利用計算機建立幾何模型，只要嚴格參照實際工藝加工條件，模擬輸出的變形分析結果是可靠的，且更直觀精準，由此得出的數據對生產實際具有較大的參考價值。

2.2 坯料內部孔洞缺陷鍛合機理及鍛造效果評價指標

圖5 幾何模型?50×35普通鐓粗36.4%的ES二維等值線圖

圖6 ES立體區域分布及百分比例圖

通過DEFORM模擬幾何模型?50×35內部設計孔洞在鐓粗過程中鍛合過程，可以研究孔洞缺陷閉合機理。圖7顯示了幾何模型中心孔洞鍛合過程,隨著鐓粗壓下率由0增大到35.7%,孔洞由圓形逐漸變成橢圓形，其短長軸比b/a值可表示其閉合的程度，b/a由1變為0，最后壓合。

圖7 孔洞在鐓粗過程中閉合圖

圖8為變形模擬后繪制的孔洞處等效應變ES及其閉合度b/a與鐓粗壓下率的關系圖表。由圖表看出，隨著鐓粗壓下率增大，孔洞處等效應變ES值逐漸變大，而孔洞閉合度b/a逐漸變小，當ES值達到0.7左右，b/a變成0。也即當鐓粗壓下率達到36%以上時，坯料中心處的孔洞缺陷即可完全閉合。

如前所述，由于工具與坯料表面存在摩擦，坯料內部變形是極不均勻的，變形大的區域鍛造效果好，鑄造缺陷得到很好消除，反之，變形小的區域，鍛造效果則差。

圖8 孔洞處ES值及其閉合度b/a與鐓粗壓下率關系圖表

等效應變ES大區域比例Vd是一個定量反映鍛造效果、變形均勻性的指標[5]。其定義為：在一個ES分布場中，V（ES）值在Vmin到Vmax之間波動，存在如下V臨界值

Vt=Vmin+α△V

式中：Vt——V場臨界值；

△V——V場內Vmax與Vmin之差；

α——比例臨界值系數，取值范圍0.6～0.8。

統計V≥Vt的ES分布在全變形場中的百分比，就是該變形場ES大區域比例Vd。

顯然對于變形后坯料內部ES分布而言，Vd越大，得到較大變形的區域越大，鍛件內部鑄態缺陷消除效果越好，變形分布越均勻，也即鍛造效果越好。圖9顯示試件平砧鐓粗36.4%后，沿子午面高度方向各孔洞閉合度與其ES分布圖，ES沿高度大區域在中部，而兩端部位是難變形區，可見大區域部分里的孔洞b/a值很小，趨近于0，而兩端部分的孔洞b/a值仍較大，表示孔洞缺陷未消除。該指標可用于工藝之間的定量分析比較，為大鍛件工藝制定提供科學的依據。

圖9 試件平砧鐓粗36.4%沿子午面軸線高度方向ES值及各孔洞b/a值分布圖

2.3 普通鐓粗與凹型坯料鐓粗變形結果比較

圖10 凹型試件?50×35鐓粗結果

圖10為凹型試件?50×35鐓粗36.4%DEFORM輸出的ES等值線圖及ES立體區域分布圖，對比圖5、圖6試件?50×35普通鐓粗36.4%后輸出的ES分布圖，在相同壓下率情況下，凹型坯料鐓粗試件ES分布要均勻得多，鍛造效果要好得多。

采用凹型坯料鐓粗的目的就是改善坯料上下端面難變形部分的鍛造效果，消除鼓形，使坯料內部ES分布狀態良好，即盡可能達到較大的ES大區域比例Vd值。圖11顯示兩種形式坯料鐓粗不同壓下率時ES大區域比例Vd對比情況，顯然，在同一壓下率條件下，凹型坯料的ES大區域比例Vd要大于普通鐓粗，當壓下率大于26%以上時，凹坯的Vd值遠遠大于普通坯料，也即其鍛造效果遠遠好過普通坯料鐓粗。

圖11 兩種坯料鐓粗ES大區域比例Vd隨壓下率變化圖表

圖12為兩試件在同一壓下率36.4%條件下等效應變ES值沿子午面軸線方向分布對比圖。可見凹坯鐓粗試件兩端面區域的ES值明顯大于普通鐓粗，說明凹坯鐓粗坯料端部也得到較好變形，鍛造效果明顯好于普通鐓粗。

圖12 等效應變ES分布對比圖

圖13 孔洞閉合度b/a值對比圖

再從消除坯料內部孔洞缺陷的角度比較兩種形式的鐓粗變形，圖13表示兩種坯料鐓粗36.4%沿試件子午面軸線各孔洞閉合度b/a值對比情況，可看出凹坯鐓粗各孔洞閉合度b/a都要小于普通鐓粗，尤其中部大變形區域孔洞鍛合效果更好。

3 大型鍛件鐓粗改進工藝的實物驗證

上海重型機械廠（SHMP）針對600MW RPV試制了實物鍛件，材料為16MnD5,采用的鍛造工藝為：鐓粗（1250℃）→沖孔（1230℃）→擴孔（1230℃）→反復鐓孔（1220℃）→拔長（1220℃）→擴孔（1100℃）。如圖14所示為鍛造RPV的典型工藝[6]。

圖14 鍛造RPV的典型工藝

實物試驗鍛造的RPV尺寸如圖15所示，注意取樣的上下環分別靠近坯料上下端面，其力學性能主要取決于鐓粗工序的鍛造效果。以前采用普通鐓粗，坯料上下端面的部分鍛造效果欠佳，上下試驗環檢測的問題是，鑄態組織特別樹枝晶粗大，切向力學性能不合格。采用鐓粗改進方案后，坯料上下端面部分變形充分，上下試驗環的金相及力學性能檢測都分別達到RPV所規定的要求。

圖15 RPV試制鍛件的上下試驗環

4 結論

（1）物理模擬與DEFORM仿真模擬輸出的變形結果基本一致，后者使用計算機建模，效率高，計算分析周期短，得到的數據對實際生產具有較大的參考價值。

（2）等效應變大區域比例指標可用于大鍛件工藝的定量分析，由此得出的工藝參數等數據較精準，可信度高。

（3）在大鍛件鍛造過程中，孔洞缺陷的閉合需要等效應變達到0.7以上，或壓下率達到36%以上的變形條件才能完成。

（4）經模擬定量分析，凹坯鐓粗的鍛造效果要好過普通鐓粗，坯料端部的變形效果有很好的改善。