大锻件锻造拔长砧型

3 国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 资 助 项 目 ( 50435010 , 50534020) ; “十 一 五 ”国 家 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目 (2007BA F02B12 ) ; 河 北 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( E2009000418) 。 赵玲玲 E2mail : z00sjp @1631 co m 作者简介 : 赵玲玲 , 女 , 1981 年生 , 河北河间人 , 博士 研究生 , 主要从事塑性变形过程的数值模拟研究 收稿日期 : 2009204225 ; 修订日期 : 2009206208
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塑性工程学报
第 16 卷
31 2 应变分析 设定锻坯内等效应变ε< 01 2 的区域为小变形
区 , ε≥01 2 的区域为大变形区 。V 型砧完成 20 %压 下后 , A2A 截面的变形区分布如图 5 所示 。
通过图 6 可以看出 , 当 117°≤θ≤153°时 , 增大 θ, 可以增大锻坯心部及其附近的特征点 P0 和 P1 处的等效应变 , 当θ= 153°时 , 锻坯心部 P0 处的等 效应变达到最大值 01 38 ; 另一方面 , θ的增大使位 于锻坯次表层的点 P2 和 P′2 处的等效应变减小 , 当 θ= 117°时 , 点 P2 和 P′2 分别获得了最大等效应变 01 13 和 01 30 。当θ= 162°时 , 小变形区内 P2 处的等 效应变略有增大 , 其余 4 点的等效应变均明显减小 。
Research on shape anvils f or dra wing in free hot f orging
ZHAO Ling2ling DU Feng2shan HUAN G Hua2gui AN Zi2jun (College of Mechanical Engineering , Yanshan University , Qinhuangdao 066004 China)
Fig1 7 Design p rocess of t rapezoid2anvil
第一步 , 采用较小的 V 型砧砧面保证锻坯次表 层金属产生大的变形量 ; 第二步 , 将 V 型砧夹角处 的 V 型砧面变为平砧面 。与 V 型砧面相比 , 平砧面 能进一步增强对其下方小变形区内金属流动的限制 作用 , 进而增大坯料心部金属的变形程度 ; 第三步 , 由于凸型砧面有利于增进锻坯与型砧接触区附近金 属的变形 , 使局部变形更加均匀[8210 ] 。因此 , 将 V 型砧面的上部和平砧面改为圆弧形凸面 ; 第四步 , 圆弧形凸面的连接处采用圆角过渡 。
(燕山大学 机械工程学院 , 秦皇岛 066004) 赵玲玲 杜凤山 黄华贵 安子军
摘 要 : 利用有限元软件模拟了 V 型砧的锻造拔长过程 , 并对不同夹角的 V 型砧压下后锻坯塑性变形区内应力 、 应变的状态进行比较 。结果显示 , 在 117°～153°温度范围内 , V 型角越大 , 锻坯心部金属获得的变形量越大 , 但同 时锻坯次表层金属的变形程度减小 。为此 , 将 V 型砧夹角处的 V 型砧面改为凸型平砧面 , 提出了梯型砧锻造拔长 工艺 。结果表明 , 梯型砧工艺提高了锻坯内部的压应力水平 , 使锻坯心部和次表层金属同时获得了较大且均匀的变 形 , 有助于扩大锻坯内部孔洞的锻合范围 , 改善大锻件的内部质量 。 关键词 : 大锻件 ; 拔长 ; V 型砧 ; 梯型砧 ; 数值模拟 中图分类号 : T G316 文献标识码 : A 文章编号 : 100722012 (2009) 0620028205
力[324] 。拔长使用的砧型是影响锻坯塑性变形区内应 力 、应变状态的主要工艺参数之一 。因此 , 通过改 进拔长砧型 , 扩大锻坯内部孔洞的锻合范围 , 有利 于减小锻坯成形后的加工余量 , 提高钢锭的利用率 。
有关研究表明[527 ] , V 型砧具有很好的锻坯心部 孔洞锻合效果 。本文通过数值模拟的方法 , 对 V 型 砧拔长过程中锻坯塑性变形区内的应变 、应力状态 进行分析 ; 以锻坯心部和次表层金属同时获得较大 变形量为设计目标 , 对 V 型砧进行砧型改进 。将 V 型砧夹角处的 V 型砧面改为凸型平砧面 , 提出了梯 型砧锻造拔长工艺 。结果显示 , 梯型砧工艺有利于 扩大锻坯内部孔洞的锻合范围 。
引 言
随着航空航天 、船舶 、电力 、石化及机械制造 等行业的迅猛发展 , 大型铸锻件的需求日益增加 。 而大锻件锻造过程中材料利用率低是制约大型铸锻 件生产发展的主要问题之一[122 ] 。
孔洞是大锻件内部缺陷的重要形式 , 孔洞锻合 主要依 靠 锻 造 拔 长 过 程 中 产 生 的 变 形 和 有 效 应
第 16 卷 第 6 期 2009 年 12 月
塑性工程学报
J OU RNAL O F PL A S TICI T Y EN GIN EERIN G
doi :101 3969/ j1issn1 1007220121 20091 061 06
大锻件锻造拔长砧型 3
Vol1 16 No1 6 Dec1 2009
4 梯型砧设计
图 5 变形区分布图 a) 117°; b) 126°; c) 135°; d) 144°; e) 153°; f) 162°
Fig1 5 Dist ributio n of defo rmation zones
图 5 显示 , 当θ较小时 , 大变形区主要发生在 X 轴附近 , 并以 Y 轴为对称轴呈蝶状分布 ; 随着θ 的增大 , 锻坯与 V 型砧的接触区逐渐向 Y 轴靠近 , 使大变形区在 X 轴上的长度缩短 , Y 轴上的长度增 长 ; 当θ= 162°时 , 大变形区在 X 轴和 Y 轴上的长 度基本相同 。总体来看 , 大变形区在 Y 轴上的长度 变化比 X 轴小 , 表明通过改变 V 型角 , 改变 X 轴 小变形区内金属的变形程度比 Y 轴容易 。
1 V 型砧拔长
如图 1 所示 , V 型砧拔长时 , 由于砧子与锻坯 接触区附近的金属流动受到接触摩擦力和砧型的限
第 6 期
赵玲玲 等 : 大锻件锻造拔长砧型
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制 , 容易在 V 型砧夹角位置的下方形成小变形区 ①。 ①区内的金属随砧子向下运动 , 使锻坯心部受 到强烈挤压而发生较大变形 , 并造成 X 轴附近金属 产生向自由边界 ②处流动的趋势 。V 型角θ是影响 V 型砧拔长过程中坯料塑性变形区内应力 、应变分 布的主要工艺参数 。
从图 4 可以看出 , 6 种 V 型砧压下后 , 5 个特 征点处的平均应力均为压应力 , 有利于锻坯内部孔 洞的锻合 。小变形区内 P2 处的压应力波动较大 , 其余 4 点处的压应力基本上都随θ增大而增大 。并 且当θ> 126°以后 , 越靠近锻坯中心 , 压应力越大 , 即 5 个点的压应力存在 P0 > P1 > P2 , P0 > P′1 > P′2 关系 。
Tab1 1 The coordinate of feat ure point s in mm
特征点 P0 坐标 (0 ,0)
P1
P2
P′1
P′2
(0 ,300) (0 ,600) (300 ,0) (600 ,0)
2 V 型砧拔长的有限元建模
为便于分析 V 型角θ对拔长过程中锻坯塑性变 形区内应力和应变分布的影响 , 采用有限元软件建 立了不同 V 型角的 V 型砧拔长过程的刚塑性有限元 模型 。锻坯选用 <2000 ×3000mm 规格的圆柱体钢 锭 , 材料为 45 钢 , 始锻温度为 1150 ℃, 砧子压下 速度为 100mm/ s , 压下量为 20 % , 砧宽比为 01 8 。 分别 取 θ = 117°, 126°, 135°, 144°, 153°, 162°。 由于模型存在对称性 , 取锻坯和 V 型砧 1/ 4 模型进 行有限元建模 。图 2 是θ= 126°时 V 型砧拔长的有 限元网格模型 。
Abstract : The V2anvil drawing p rocess of large forgings was simulated using F E software , and t he st ress2st rain dist ributio ns in t he plastically defo rming area were co mpared after different V2anvils drawings. The result s show t hat t he increase of V angle in t he range of 117°to 153°can enhance t he defo rmation at t he center of t he billet , but reduce t he defo rmation in subsurface layer. To avoid t hat p roblem , a new t rapezoid2anvil , which uses convex flat2anvil face instead of t he V2anvil face at t he t ransitional zone , is int roduced based on t he st ruct ure imp rovement of V2anvil. The result s indicate t hat t rapezoid2anvil reduction can make t he center and subsurface layer of t he billet acquire larger and uniform deformatio n simultaneously , which is helpf ul to enlarge t he scope of void clo sing and imp rove t he inner quality of large fo rgings. Key words : large forgings ; drawing ; V2anvils ; t rapezoid2anvil ; numerical simulation