本文以大型軸類鍛件鍛造所用大型鋼錠為研究對象，将計算機模拟、物理試驗、Q-Value法三者結合，形成了一套完善的針對孔洞類缺陷閉合過程的模拟分析預測方法，模拟結果外形尺寸與實際生産各火次吻合度高，并成功應用到其他産品的鍛造模拟過程，驗證了我公司大型軸類鍛件鍛造工藝對孔洞缺陷的焊合效果。

大型鋼錠内部質量問題一直是困擾我公司多年來的質量問題，尤其是孔洞類缺陷未能鍛合導緻最終産品探傷無底報廢，精确的預測孔洞類缺陷在鍛造變形過程中的閉合乃至焊合顯得尤為重要。

本次研究旨在對大型軸類鍛件整個鍛造變形過程進行實際工況模拟及試驗研究，通過在鋼錠冒口端鑄态缺陷易殘留部位植入假想缺陷，運用模拟及試驗手段對缺陷在整個鍛造變形過程中進行跟蹤，并對缺陷最終的位置及形狀進行分析，探究鍛造工藝對原始缺陷分布及形變的影響，掌握孔洞類缺陷在鍛造變形過程中的演化規律，從而對鍛造工藝進行理論指導與優化。此外，通過對DEFORM-3D軟件二次開發引入Q-Value法對孔洞缺陷預測結果進行驗證。

計算機模拟、物理試驗、Q-Value法三者結合，形成了一套完善的針對孔洞類缺陷閉合過程的模拟分析預測方法，解決了鍛造模拟中偏心、操作機随動、連續性模拟等一系列技術難題，模拟結果外形尺寸與實際生産各火次吻合度高，并成功應用到我公司其他産品的鍛造模拟過程，驗證了目前我公司大型軸類鍛件鍛造工藝對孔洞缺陷的焊合效果。

常規模拟研究

孔洞缺陷閉合過程常規模拟研究一般采用在有限元模型中植入缺陷網格進行鍛造變形模拟。本次研究以某廠300噸級鋼錠為研究對象，常規模拟研究中，嚴格遵循實際工況及工藝規程，包括考慮取料過程坯料表面的降溫、壓鉗口、操作機夾持随動等以往在模拟中忽略的因素。鍛造工藝過程：壓鉗口→FM預拔長→镦粗、規方→FM壓實，模拟中各工藝參數的設置均與實際生産保持一緻。圖1為常規模拟研究初始有限元模型。

圖1 常規模拟研究初始有限元模型

物理試驗研究

鉛在室溫下能再結晶，其應力-應變關系曲線和應變速度-應力關系曲線與高溫鍛鋼的相應曲線基本相似；此外，鑒于燕山大學劉助柏教授曾用鋼制試棒中心打通孔研究了圓柱體镦粗變形情況。綜上，本次試驗制備1∶30鉛制坯料，并嘗試在鉛料中心打孔并用低熔點合金人工制造缺陷或孔洞(圖2)，借此模拟研究鋼錠缺陷在鍛造變形過程中的形狀及位置的變化。

本次研究試驗在100t試驗壓力機上完成鉛制坯料的鍛造變形工序，所用鍛造輔具均為重新按實際生産1∶30等比例縮小設計，各變形工藝及壓下參數亦參照實際生産設定，鍛造完成後通過剖切分析缺陷變形及分布情況。部分物理試驗過程如圖3所示。

圖2 物理試驗初始孔洞缺陷

圖3 物理試驗坯料鍛造過程

Q-Value法研究

國内外多項研究表明，孔洞缺陷的閉合過程可以通過Q-Value法進行預測，計算如式(1)。當累積變形達到一個臨界值Q時，孔洞閉合，Q值也稱閉合因子，此時的臨界值即為閉合阈值，本文暫取0.3。通過計算Q值在鍛造模拟中的分布雲圖，可以研究大型鋼錠孔洞類缺陷在鍛造變形過程中的閉合過程。

式中：σm為靜水壓應力，σeq為等效應力，εeq為等效應變。

上述式(1)為積分式，計算存在諸多不便，在DEFORM-3D模拟軟件中，可以通過将式(1)進行離散化(式2)，利用軟件中用戶子程序進行Q值的計算，并得到其分布雲圖，從而利用有限元模拟軟件預測鍛造過程中孔洞類缺陷的閉合情況。

DEFORM-3D模拟軟件用戶子程序USRUPD是一個用戶定義節點和單元變量的子程序，用戶可以通過定義特殊的節點或單元變量實現後處理中不具備的參量的計算功能。本次研究通過對UPD模塊二次開發計算Q值并得到其模拟分布雲圖。

模拟及試驗結果

有限元模拟與物理試驗坯料镦粗後外形對比如圖4所示，兩者外形尺寸較為接近，吻合度較高。

圖4 大型鋼錠镦粗後坯料對比圖

通過以往相關文獻及模拟研究，我們可以确認，圓柱形孔洞在鍛造變形過程中的閉合是有取向性的，即沿着第一次主要變形方向發生閉合。此外，孔洞缺陷經過鍛造變形最終閉合，難以比較評價。基于此我們選擇對FM壓實第一道次後坯料進行剖切比較：在試驗過程中記錄第一錘的壓下方向，并在坯料上做好标記。第一次剖切選擇垂直于孔洞閉合後的平面，以便能觀察到整個孔洞缺陷閉合後的形貌；第二次剖切則選擇在第一次橫向剖切後，孔洞缺陷未閉合完全的位置進行縱向剖切，以便觀察測量未閉合缺陷部位的詳細形狀及尺寸。剖切方案如圖5所示。

坯料剖切後，測量比對模拟與試驗孔洞缺陷變化結果如圖6、圖7所示。通過對比可知，FM壓實第一道次後，孔洞缺陷位置、形狀變化趨勢是一緻的，試驗結果與模拟結果吻合較好：即冒口端缺陷閉合程度較小，仍留有較大孔洞，長圓形缺陷整體均表現為中間首先趨于閉合，兩端仍有不同程度未閉合孔洞留存。但缺陷具體尺寸方面，試驗結果與模拟結果出現了一定的誤差，主要是由于材料模型不一緻，且試驗過程中布砧位置與模拟存在少量差異。

圖5 兩次剖切平面示意圖

圖6 物理試驗FM壓實第一道次後孔洞缺陷測繪示意圖

圖7 有限元模拟FM壓實第一道次後孔洞缺陷示意圖

從模拟結果可以判斷，經FM最終壓實後初始孔洞缺陷除靠近冒口端心部位置，其餘部分已經完全閉合，冒口端未閉合部分主要是由于镦粗時鉗把部位在漏盤中“勒料”沒有得到充分壓實，而這部分坯料在最終産品往往被作為冒口棄料割掉。通過對物理試驗最終坯料的剖切也可以驗證以上孔洞缺陷閉合情況，如圖8所示。

圖8 坯料FM最終壓實後有限元模拟及物理試驗剖切結果對比圖

最後，通過Q-Value法對DEFORM軟件二次開發計算FM鍛造過程坯料心部各點累積Q值及初始選取位置如圖9、圖10所示，變形過程與邊界條件等與常規模拟設置保持完全一緻。圖10表明，FM六個道次壓實後，除P1、P6點Q值累積水平在閉合阈值0.3以下，其餘四點Q值累積均已超過0.3，在模拟及試驗中表現為孔洞閉合。P6位置為水口端，在模拟及試驗中并未預制孔洞；P1點為靠近冒口端位置，六個道次Q值累積僅有0.05，在模拟及試驗最終結果中清晰可見未閉合的殘留孔洞，進一步驗證了常規有限元模拟及物理試驗的準确性。

圖9 坯料中心截面初始6個參考點位置選取示意圖

圖10 FM壓實變形過程中6個參考點Q值随模拟時間變化曲線

結論

⑴通過對計算機模拟、物理試驗、Q-Value法三者結合，形成了一套完善的針對大型鋼錠孔洞類缺陷閉合過程的模拟分析預測方法，三種方法相輔相成、互相驗證，預測準确性較高。

⑵該方法驗證了目前我公司大型軸類鍛件鍛造工藝對孔洞缺陷壓實焊合的有效性，并成功應用到其他産品的鍛造模拟過程。

作者簡介

韓笑宇，工程師，軋輥研究部研究員，主要從事軋輥工藝及數值模拟方面的研究。

——本文摘自《鍛造與沖壓》雜志2019年第23期。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!