AAAAA-大型锻件凹型角度砧拔长工艺

ISSN1000 0054 CN11 2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T sing hua Un iv(Sci&Tech),2010年第50卷第7期2010,V o l.50,N o.71/36965 969大型锻件凹型角度砧拔长工艺刘 鑫, 钟约先, 马庆贤, 袁朝龙(清华大学机械工程系,先进成形制造教育部重点实验室,北京100084)收稿日期:2009 11 00基金项目: 十一五国家科技支撑计划项目(2007BAF02B07,2007BAF02B01);国家自然科学基金项目(50705048);教育部博士点基金项目(20070003080)作者简介:刘鑫(1983!),男(汉),北京,博士研究生。

通讯作者:钟约先,教授,E mail:zhongyx@ts 摘 要:随着大型核电低压转子锻件尺寸和重量的增加,低压转子锻件锻透成为锻造过程的突出难题。

该文通过改变砧形,采用凹型角度砧拔长的工艺来增加心部压实效果,并通过数值模拟和物理模拟相结合的方法对其应力应变的分布进行了研究。

模拟结果表明:采用凹型角度砧拔长,增加了心部变形效果,改善了心部的应力状态,有利于心部压实和缺陷锻合;采用6∀的凹型角度砧比平砧可以得到更好的应力应变状态。

建议在大型锻件主拔长的前几趟次采用凹型角度砧拔长工艺。

关键词:大型锻件;数值模拟;应力;锻造工艺中图分类号:T G316文献标志码:A 文章编号:1000 0054(2010)07 0965 05Stretching of heavy forgings with aconcave anvilLIU Xin,ZH ONG Y uexian,MA Qingxian,YU AN Ch aolong(K ey Laboratory for Advanced Materials Proces sing T echnology of Minis try of Education,Department of Mechanical Engineering, Ts inghua University,Beijing100084,China)Abstract:Th e low pressu re rotor in a n uclear pow er plant turbine is qu ite larg e and heavy,s o forgings are difficult.A forging process u sing FM w ith a concave anvil(FM C cA)in the stretching proces sing w as developed to improve the in ternal quality of heavy forgings.Th e stres s and strain distribu tion s in the forging w ere investigated using a combination of modeling and num erical sim ulation s.The res ults show that using th e con cave an vil in the stretching proces sing increas es the deformation at the center of th e b illet an d impr oves th e stres s state in the center region.T he billet had better s tr ess and strain distrib ution s using a6∀concave anvil than w ith a com mon flat anvil in stretching processing.T he resu lts suggest that the FM CcA should be u sed in the first or second stretching steps.Key words:heavy forging;n umerical sim ulation;stres s;forging proces s根据国家#核电中长期发展规划(2005!2020年)∃,到2020年中国平均每年要新建2~3套百万千瓦级核电机组。

根据目前发展现状和趋势来看,这个数字还将进一步增加。

核电机组中的大型铸锻件是关键零部件,技术含量高,加工周期长,对制造设备要求高,其质量和水平直接影响成套装备的总体水平和可靠性。

百万千瓦级核电常规岛低压转子整体锻件截面直径近3米,转子净重超过170吨,需使用600吨级钢锭,是目前世界上热加工综合技术水平要求最高的实心锻件[1 3]。

由于尺寸和重量巨大,在锻造时必须重点考虑使锻件的心部得到充分压实。

国内外大型锻件的生产厂家不断研究开发新的锻造方法,如FM法、WH F法、KD法、JTS法、SUF法等,并对这些锻造方法的工艺参数进行优化,通过锻造方法的组合来实现心部压实、锻合内部缺陷的目的,从而生产出优良的锻件。

国内成功生产出300M W、600M W低压转子锻件[4 7],锻件直径2米以下,采用的钢锭为300吨级。

对大钢锭来说,缩孔、疏松等是最主要的缺陷之一,并且随着钢锭重量的增加,缩孔、疏松更为严重。

针对1000MW 核电低压转子锻件心部需充分压实这一问题,本文提出改变砧形,对锻件采用凹型角度砧拔长,并运用数值模拟和物理模拟相结合的方法,对此锻造工艺进行了研究,探讨了通过改善砧形提高锻件心部压实效果的可能性,以实现大型核电低压转子锻件的国产化。

1 模型的构建对于大型轴类锻件,国内的主拔长工艺主要采用FM法、WH F法、KD法。

通过塑泥、铅、热钢等966清华大学学报(自然科学版)2010,50(7)模拟实验得到的结果均说明FM法最优。

1000MW核电低压转子锻件主拔长工艺前锻件拔方截面尺寸约为3600mm。

本文的实验研究在采用FM法的基础上,将上砧改用凹型角度砧,砧宽比为0.5,即砧宽为1800mm,下砧为大平台,如图1所示。

本文仅研究单砧压下的情况,连砧拔长可以根据本文结果得到类似规律。

为叙述方便,实验结果显示的坐标设置为:中心轴线以坯料中心点为坐标原点,沿轴线半砧宽位置为0.5;中心径线以坯料中心点为坐标原点,坯料上端为-0.5,下端为0.5。

图1 凹型角度砧FM法拔长示意图本文在数值模拟中利用Defor m3D软件作为模拟平台,采用三维刚塑性有限元模型,模拟试件尺寸与真实锻件尺寸按1%1的比例进行构造。

为简化计算、提高计算精度和效率,根据对称性条件,取锻件的1/4作为研究对象,其有限元模型如图2所示。

在高温锻造情况下摩擦因子m取0.4,水压机速率设定为25m m/s,模拟材料模型由低压转子生产用钢超纯净30Cr2Ni4M oV钢通过实验测得。

实践证明[8 9]:用此钢制造低压转子产品具有良好的韧性和抗回火脆性,完全能够满足使用要求,成本相对较低。

图2 凹型角度砧FM法拔长有限元模型2 数值模拟结果及分析2.1 凹型角度砧拔长的应力应变分析图3 砧中压下率20%后静水压力、等效应变分布曲线锻造中,更好的三向压应力状态和更大的变形刘 鑫,等: 大型锻件凹型角度砧拔长工艺967有利于提高心部压实效果。

根据试件的主应力状态,发现采用凹型角度砧压下,试件的内部区域的应力状态与普通平砧压下相同,即除试件上表面和上砧砧角接触处由于金属的横向流动增大产生一定拉应力外,其他区域尤其是心部位置都为三向压应力状态,有利于锻件缺陷的锻合。

相同压下量压下时,随着凹型角度砧角度的增大,压下量实际有所减少。

为弥补这一不足,可对凹型角度砧拔长采用增大压下率的方法。

使砧子横截面中间位置的压下率和普通平砧压下率相同。

单砧压下20%后锻件静水压力、等效应变分布如图3所示。

可以看出:采用凹型角度砧拔长,心部静水压力有所增加,处于更好的三向压应力状态,等效应变向心部压实方向移动并且增加,心部压实效果增加明显。

2.2 压下率对应变分布的影响为分析凹型角度砧拔长后应变的分布规律,进一步对不同压下率下的拔长进行研究,采用归一的加权平均值来描述变形区的变形情况:WA =ni=1iAiA VG &ni =1A i. 其中: i 为i 点等效应变, AV G 为等效应变均值,A i 为权重值。

对于中心径线,权重分配为中心点权重最大,沿径向至表面递减,则 WA 越大,表明变形越向心部集中;对于中心轴线,权重分配为中心点权重最大,沿轴向递减,则 WA 越小,表明变形在轴向方向越均匀。

试件采用不同的凹型角度砧进行不同压下率的单砧压下后,其中心径线和中心轴线等效应变的 WA 如图4所示。

可以看出:在中心径线方向,在相同压下率条件下,采用凹型角度砧拔长和采用平砧拔长相比,等效应变均向心部压实方向移动,变形深入心部的程度均有不同程度的增加,并且在角度为6∀时变形效果出现极值,应变分布最趋向于心部压实,换言之,6∀凹型角度砧压下率为14%时就可以达到普通平砧压下率为18%时的变形分布效果,有助于减小压下率,增加锻件变形效果,从而提高锻件质量;在中心轴线方向,16%以上的压下率,采用4~10∀的凹型角度砧拔长,应变分布更加均匀,有利于锻件整体心部压实效果的均匀性。

图4 等效应变的 WA 随压下率的变化曲线2.3 砧宽比对凹型角度砧拔长的影响采用普通平砧进行拔长,当砧宽比大于0.4时,大变形区深入心部;采用6∀凹型角度砧进行拔长时,随着砧宽比的增加,大变形区向心部移动,并且比普通平砧更趋向心部。

普通平砧和凹型角度砧采用不同砧宽比拔长时,压下率20%中心径线等效应变分布如图5所示。

根据其等效应变的 WA 随砧宽比的变化,如图6所示。

可以看出:随砧宽比的增加,凹型角度砧的心部压实效果增加,并且在砧宽比图5 中心径线等效应变分布968 清华大学学报(自然科学版)2010,50(7)大于0.2以后始终比平砧变形分布效果要好。

试件心部和中心1/5H 处的应力应变如图7所示,在FM 法优选0.4~0.6砧宽比范围内,采用6∀凹型角度砧进行拔长比采用普通平砧有更好的应力应变条件。

3 物理模拟结果及分析国内外研究表明,采用铅做模拟材料进行常温实验可以较好地模拟钢的高温锻造过程[10 11],因此采用此种物理模拟的方法对数值模拟得到的规律进行验证。

实验采用纯度为99.99%的经过大锻比锻造的纯铅作为模拟材料,根据模拟相似性条件,模拟试件尺寸与真实锻件按1%72的比例构造。