大型鍛造鋼錠

大型鍛造鋼錠作為大型壓力容器設備中的重要部分，因其工作環境嚴酷，所以對其內部質量有很高的要求。傳統工藝中，大型筒類鍛件是通過對普通實心鋼錠進行拔長、下料、鐓粗、沖孔、擴孔等工序獲得，但是傳統生產工藝工序繁複，材料利用率低，拉長了生產周期和增加了生產成本。

基本介紹

• 中文名：大型鍛造鋼錠
• 外文名：Large forging ingots
• 學科：冶金工程
• 領域：鋼鐵
• 缺點：材料利用率低
• 範圍：大型壓力容器設備

簡介

大型鍛造鋼錠作為大型壓力容器設備中的重要部分，因其工作環境嚴酷，所以對其內部質量有很高的要求。傳統工藝中，大型筒類鍛件是通過對普通實心鋼錠進行拔長、下料、鐓粗、沖孔、擴孔等工序獲得，但是傳統生產工藝工序繁複，材料利用率低，拉長了生產周期和增加了生產成本。

大型空心鋼錠的出現給解決以上問題帶來了新途徑。與實心鋼錠相比，空心鋼錠有如下優點：

①空心鋼錠減輕了內部偏析，組織均勻性好，減小了縮松縮孔趨勢；

②用空心鋼錠生產筒形鍛件，可以降低鋼錠重量、簡化工序、縮短生產周期；

③空心鋼錠因其鍛壓截面積小，可以在相同噸位的設備條件下，提高鍛件的噸位等級。

主要針對空心鋼錠鍛壓成形過程進行研究，通過工藝和模具控制試件內部變形程度的大小和分布，以期獲得充分、均勻的鍛壓效果，通過塑性成形消除鋼錠的原始缺陷，打碎鑄態組織，得到均勻細小的晶粒組織。採用格線法物理模擬和有限元數值模擬相結合的方式，探討使用大型空心鋼錠鍛造筒形試件的工藝方法，研究了鍛造工藝中鐓粗壓下率、拔長砧形、拔長壓下率、套環等工藝參數對鍛件變形及內部應變分布的影響，為大型空心鋼錠鍛造工藝的制定提供了參考依據。

模擬實驗條件

物理模擬條件

試件材料選用純度為99．99%的鉛，應變速率控制在≤10－4s－1 範圍內，實驗環境溫度為常溫，空心鋼錠鍛件實際尺寸為Φ3600mm×Φ1800mm×2700mm，試件與實際鍛件尺寸比例為1∶60。

數值模擬條件

用Deform－3D軟體作為平台，採用三維剛塑性有限元模型，模擬試件尺寸與實際鍛件尺寸按1∶1比例構造，試件材料模型使用16MnD5，由於試件形狀及變形分布具有對稱性，因而取1/2作為研究對象。鐓粗模擬在高溫鍛造環境下，摩擦因子為0．4，水壓機速率設定為25mm·s。

鐓粗工藝制定依據

平砧鐓粗壓下率的選擇

通過物理模擬，研究平砧鐓粗中壓下率對空心鋼錠變形及應變分布的影響，選擇合理的鐓粗壓下率。分別採用20%，30%，40% 3種壓下率，物理模擬試件子午面上印有1．5mm×1．5mm 正方形格線。鐓粗試件由對稱的兩半組成，通過伍德合金粘接，鐓粗後分離即可獲得試件變形後的格線。

鐓粗實驗後，使用四節點法對試件截面上的格線進行數據處理，得到等效應變在子午面上的分布。平砧20%壓下率鐓粗後，在試件靠近內表面1/2高度處的Ⅲ區域內，由於兩向壓應力的作用等效應變值較大；對於難變形區Ⅰ，由於摩擦力的作用阻礙材料變形，使得該區域應變較小。變形區域Ⅱ中的應變值介於Ⅰ、Ⅲ兩區域之間。

大變形區Ⅲ隨著壓下率的增大有明顯擴大，在這個區域內等效應變值均在0．4以上，且較為均勻。在內表面1/2高度處一個較小區域內，材料等效應變最小值超過1，這個區域為劇烈變形區Ⅳ。當鐓粗壓下率達到40%時，難變形區Ⅰ發生的位置和大小几乎沒有變化。大變形區Ⅲ進一步擴大，變形區Ⅱ的範圍在高度方向上保持不變。大變形區Ⅲ中，等效應變值在增大的同時均勻性有所降低，同時劇烈變形區Ⅳ明顯增大，並向著大變形區Ⅲ的方向擴展。

由實驗結果可知：當壓下率較小時，試件內部應變偏小；當壓下率過大時，試件容易產生形狀畸變，且試件內部應變的不均勻性增大。因此，選擇30%壓下率進行鐓粗，可以保證試件在變形均勻的情況下，獲得儘可能大的應變。

鐓粗中套環對試件形狀、應變分布的影響

在平砧鐓粗過程中，試件產生了鼓形變形，因而在鐓粗實驗過程中採用套環鐓粗，通過套環給試件外表面帶來的約束作用，限制材料在徑向流動的不均勻性，減弱鼓形變形。實驗採用平砧方式鐓粗，壓下率為30%。套環的內徑由無套環鐓粗試件的尺寸決定，其值為無套環鐓粗試件的最大外徑和最小外徑的平均值69mm，套環高度為28mm，略小於30%壓下率鐓粗後試件的高度31．5mm。

通過對其截面格線進行數據計算得到鐓粗後子午面等效應變對比。帶套環鐓粗的試件，其外圓柱面無鼓形變形現象，同時，在試件內圓柱表面產生的內凹趨勢明顯減弱，整個試件呈現出近似規整的圓柱筒體形狀，說明套環有效地消除了鐓粗過程中試件發生的鼓形畸變。此外，帶套環鐓粗的試件其芯部1/2高度處的大應變區有所增大，其餘部分二者比較接近。因此，鐓粗中套環具有使試件芯部壓實區增大作用。

在鐓粗工序中套環可以有效消除試件的鼓形變形、減弱試件內表面內凹傾向，同時可以增大試件芯部壓實區。套環的選用應依據無套環鐓粗後試件的尺寸參數確定，主要需要滿足強度要求和尺寸要求。

芯軸拔長工藝砧型的選擇

拔長實驗試件整體外部尺寸和鐓粗試件相同為Φ60mm×Φ30mm×45mm，採用整體拔長方式進行。拔長試件在垂直子午面上的格線採用矩形網，在圓截面上採用一系列同心圓與過圓心放射線相交形成的格線。單砧拔長實驗參數包括：芯棒直徑27mm、壓下率30%、應變速率≤10－4s－1、外砧砧型。外砧形狀共4種：150°V型砧、160°V型砧、170°V型砧和平砧。

在試件的垂直截面上，大變形區的深度隨著試件外部V型砧夾角的增大而不斷增大。當使用150°V型砧時，大變形區的深度僅占試件厚度的1/3。當使用160°V 型砧時，其深度超過試件厚度的一半，並且應變分布的均勻性也有所增加。當使用170°V型砧時，大變形區的深度占據試件厚度的2/3以上。當使用平砧進行拔長時，試件的大變形區幾乎覆蓋了整個垂直截面。

在壓下率相同的情況下，隨著V型砧夾角的增大，在試件垂直子午面上沿徑向方向上的大變形區的深度越大且應變分布也更為均勻；同時，V型砧夾角越大也有利於減弱圓柱端面產生不均勻變形的趨勢。在芯軸拔長工序中，隨著V 型砧夾角的增大，試件的大變形區的深度越深，其深度的增加有利於獲得內部變形均勻的試件，在拔長工序中選用平砧進行芯軸拔長。

數值模擬鐓粗後芯軸拔長工藝參數確定

進行套環鐓粗的有限元模擬實驗，鐓粗後獲得試件子午面的等效應變分布。在數值模擬中，採用10%，20%，30%，40%4組壓下率作為實驗參數進行對比，將拔長後的B 面應變分布場逆時針旋轉90°橫置後。當壓下率為10%時，拔長未能完全壓平試件內表面原有的內凹。當壓下率達到20%時，試件內表面的內凹已經完全壓平，且大變形區明顯擴大，應變分布的不均勻性降低。當壓下率達到30%時，大變形區的範圍進一步擴大，且試件與平砧接觸面中心附近的小變形區域也有明顯減小。

此外，呈現出較大範圍的淺色區域A 內應變值均在0．7左右，屬於較為均勻的大變形區。當壓下率達到40%時，深色小變形區繼續縮小，並在試件內部產生應變值在1．0以上的深色區域B。該區域為劇烈變形區，增大了試件內變形的不均勻性，需要避免產生。因此，拔長壓下率應選為30%。

通過有限元軟體完整模擬試件的鐓拔工序，拔長工序採用45°砧間夾角，完成8次拔長後獲得最終試件的形狀及應變。可以看到，經過完整的鐓拔工序後，試件外部形狀規整，應變分布均勻且應變大小在0．6左右，能夠達到鐓粗拔長過程中去除鋼錠內缺陷、改善組織性能、便於進行成形加工和組織控制的目的。

通過模擬實驗可知，經過一次鐓拔後大變形區基本可以覆蓋整個試件，但在稜線與圓柱軸線間的試件內部還存在著應變偏小的區域，試件局部變形還不充分。試件內的應變分布還存在著一定的不均勻性。在經過一輪鐓拔後試件的外表面呈現出八棱形，試件外形還需要進一步規整成近似的圓柱形。在實際操作中為了避免由於工藝控制不嚴格導致的材料變形不均勻，保證試件能夠均勻變形，因而建議採用至少兩次鐓拔工藝，從而達到規整試件和使得試件內部應變更加均勻、充分的目的。

總結

1.在空心鋼錠鍛造中，套環鐓粗可以減弱試件的鼓形畸變，建議採用增大試件芯部的大變形區。在拔長工序中，在試件外V型砧夾角越大，拔長後試件大應變區的深度越深，因此，建議選用芯棒和平砧進行拔長工序。

2.為獲得平整的內圓柱面和具有均勻大變形的試件，拔長工序中，建議壓下率選30%，砧間夾角選45°。建議採用兩次以上鐓拔工藝，從而達到試件外形規整及使試件內部應變更加充分、均勻的目的。