鐓粗過程中預壓下量對應變分布的影響

文／潘利永，曹明·天津重型裝備工程研究有限公司軋輥研究部

本文針對鐓粗過程中因設備空間問題而需要在鐓粗前采用平砧施加一定的預壓下量的情況，采用Forge 數值模擬軟件，分析預壓下量對鐓粗后應變分布的影響。結果表明，鐓粗中預壓下量只對鋼錠靠近水口端的錠身上半部分的等效應變產生影響；隨著預壓下量的增加，水口端難變形區的應變增大、分布更均勻。

鐓粗是以鋼錠作為毛坯的大型鍛件自由鍛造過程中的重要工序，起著破碎鋼錠原始鑄態組織，提高鍛件軸向力學性能，壓實內部縮孔、疏松等作用，并為后續拔長、壓實等工序創造條件。

理想狀態下，生產過程中鐓粗工序應當一步到位，避免中間出現卸載的狀況，這樣可以使鐓粗過程中坯料內部持續保持高應力和高應變，創造較好的壓實條件。然而，在實際生產中，如果鋼錠錠身和漏盤、鐓粗板的總高超過設備凈空距，鐓粗就需要分兩步進行，其中一種方式：首先需要用平砧在鋼錠水口端面壓下一定的量，然后再加鐓粗板進行加壓鐓粗至工藝要求尺寸。這種情況在水口不齊或立料不正的情況下也會出現。在出現預壓下量的鐓粗執行過程中，鋼錠內部的應變分布狀態同理想狀態下的鐓粗相比，可能會存在一定的差異。為了考察這種差異的大小和對鐓粗執行效果的影響，本文利用Forge 數值模擬軟件，設計了一組鐓粗模擬試驗，對上述狀況進行了對比分析。

模擬方案

本文以4500t 快鍛油壓機對44t 鋼錠的鐓粗過程為研究對象，圖1 為鋼錠的尺寸規格，其中壓鉗口階段已按生產工藝在鋼錠冒口壓制出φ800mm的鉗口，并在水口端去掉錠身100mm。

圖1 鋼錠尺寸示意圖

模擬過程中所需的參數參照了實際鍛造過程，壓機速度設定為50mm/s，鐓粗相對總變形量設定為50%，模擬試驗的材質選用軋輥材質YB-70。模擬過程中對鋼錠按照30000 個網格單元進行劃分，出爐坯料溫度為1230℃，考慮空氣及輔具傳熱，并按照Forge 的常規參數進行設定。

模擬分A、B 和C 三組，A 組采用上平鐓粗板、下漏盤，壓下量為50%；B 組和C 組采用400mm 上平砧分別預壓5%、10%，再用上鐓粗板、下漏盤壓下45%、40%。A、B、C 三組，所用到的鐓粗模型如圖2 所示。各組相對變形量見表1。

表1 三組試驗壓下量

圖2 鐓粗模型

模擬結果

為分析數據的方便，分別以鋼錠的中心軸和半徑方向為橫、縱坐標軸建立如圖3 所示直角坐標系，坐標原點為鉗口端面中心處。文中使用數據都是使用點跟蹤的方法，從Forge 軟件中導出的，所跟蹤的點分布情況如圖4 所示，各行(列)點均勻分布。

圖3 模型坐標圖

圖4 跟蹤點的分布情況

圖5 為A、B、C 三組模擬試驗中大變形區的數據采集點等效應變的對比情況。從圖5 中看，在軸向坐標1200 ～2000mm 區間內，即冒口端到錠身心部，其等效應變的走勢基本相同；在軸向坐標2000 ～2800mm 區間內，即錠身心部到水口端，其等效應變則產生了較大差距，C 組的等效應變值維持在1.0 上下，而A、B 兩組則在軸向坐標2600mm 后產生差距，差值在0.4 左右。

圖5 大變形區等效應變對比

圖6 是A、B、C 三組冒口端難變形區等效應變的對比情況，A、B、C 三組冒口端難變形區的等效應變差值僅在0 ～0.2 左右，可見鐓粗是否有預變形對冒口端難變形區等效應變分布的影響也很小，可以認為A、B、C 三組方案所得到的冒口端難變形區等效應變分布狀態基本一致。

圖6 冒口端難變形區等效應變對比

圖7 為水口端難變形區等效應變對比，從A、B、C 組的對比來看，水口端難變形區的等效應變分布差異較大：一方面，等效應變隨著預壓下量的增加而增加，等效應變差值基本在0.2 ～1.0 的范圍內變化；另一方面，從單條圖線的走勢來看，預變形使水口難變形區的局部等效應變分布更趨均勻。

圖7 水口端難變形區等效應變對比

圖8 為小變形區A、B、C 三組試驗的等效應變分布數據對比。從圖中等效應變曲線的對比來看，預壓下量增大了水口端等效應變，對冒口端和錠身中部的影響很小。

圖8 小變形區等效應變對比

分析與結論

⑴通過前述對模擬試驗結果的整理，可以看出鐓粗過程中水口部位采用平砧來實現的預壓下量對鐓粗后鍛件坯料水口端等效應變分布產生了影響，提高了等效應變的數值，同時使分布更趨均勻，但對其余部位影響不大。

⑵在正常鐓粗過程中，由于采用鐓粗板施壓，受摩擦作用水口端形成難變形區，對該區域材料的變形產生了約束，使得等效應變增加受到限制，且中心部位約束最大而使等效應變最小。在平砧對水口端施加預壓下量時，由于接觸面積小，摩擦約束作用較弱且作用范圍有限，因此有利于水口端產生局部變形，從而產生水口等效應變較大的結果。同時，由于是多砧壓下完成水口端整體產生預壓下量，因此等效應變的分布會更趨均勻。

⑶按照當前結果，預壓下量的存在對鐓粗產生了有利影響，但是對于這種非正常的鐓粗方式，一方面會延長工藝執行時間，另一方面在預壓下量較大時，正常鐓粗的變形量會相應減少，從而削弱了正常鐓粗的壓實效果，且對壓實的影響難以通過模擬計算進行可靠的評估。因此，本文所考察的這種鐓粗前采用平砧預壓下的鐓粗方式只能作為適應設備空間需要的臨時措施，并且執行過程需要控制預壓下量大小，確保正常鐓粗的執行效果。