大規格電鐓成形過程解析及端面凹陷改善方法

陳應戰 魯宏 蔣立鶴

摘要：本文主要針對超大規格氣閥在電鐓成形過程中的蒜頭端面凹陷問題，提出設計新型曲面接觸式凹型砧子的方法以降低蒜頭端面下沉深度，為實際電鐓生產中獲得較好的電鐓成形形狀提供方法依據。在MSC.Marc分析平臺構建電鐓有限元模型進行電鐓模擬分析，根據有限元模擬電鐓成形過程，針對性采用曲面接觸式凹型砧子對電鐓成形過程中的端面凹陷進行改善，分析凹型砧子對電鐓成形過程中的蒜頭端面下沉深度、蒜頭直徑、電鐓溫度的影響，發現新型曲面接觸式凹型砧子能有效降低蒜頭端面凹陷程度和改善電鐓聚料形狀。

關鍵詞：電鐓;端面凹陷;凹型砧子;有限元模擬

0 ?引言

隨著運輸船舶日趨大型化、巨型化，促使船用柴油動力低速機的單缸功率和單機功率不斷向強化、縱深發展。大規格氣閥作為超大型原動機燃燒室燃燒室進/排氣關鍵部件，具有長桿、局部超大變截面的形狀特點，其成形方法通常依靠電鐓制坯-模鍛成形[1-2]。電鐓成形工藝涉及電-熱-力-組織等四種物理場，是一個具有高度非線性幾何、物理、邊界的動態多場多尺度耦合熱塑性變形問題[3]。在成形超大規格氣閥時，特別是當聚料多，氣閥桿徑截面變化率超大的情況下，為達到一定的電鐓蒜頭直徑，電鐓成形過程中的頂鐓力和加載電流都需要很大，而這很容易加深電鐓蒜頭端面的凹陷（下沉深度）。一方面，下沉深度太大會使得材料變形不均勻，甚至在電鐓成形過程中形成坍塌缺陷。另一方面，在后續的模鍛成形過程中，下沉深度太大會出現“閉氣”問題[4]。一般來說，對于此類超大規格變截面率的氣閥坯，單方面很難從電鐓工藝參數角度改善。而在傳統電鐓成形設備中，砧子一般為平面型，無法改善電鐓成形后蒜頭端面下沉深度大的缺陷。特別是當電鐓過程中的頂鐓力超過一定限度時，平面型砧子反而會使得下沉深度變大。因此，尋求一種既能減小電鐓蒜頭端面的下沉深度又能改善電鐓聚料形狀的電鐓方法是很有必要的。

1 ?電-熱-力多場動態耦合有限元模型構建

電鐓工藝工作原理圖如圖1所示。在砧子電極與夾持電極之間通電流，通過接觸電阻和自身電阻加熱，并在桿坯右端施加一定的頂鐓力，冷端的桿坯被送入砧子電極與夾持電極之間的加熱區域，使桿坯在一定溫度條件下逐漸發生塑性變形并完成局部精準連續聚料[1，5]。圖1中砧子為平面型砧子。

電鐓有限元模型材料為Nimonic80A超合金，桿坯直徑為85mm，長度3700mm，桿坯總行程2350mm。在保證電鐓過程不失穩的情況下，電鐓過程中使用的頂鐓力最大為1030KN，最大電流為28.6KA，模擬過程中的最高溫度為1130℃。

2 ?基于多場動態耦合的電鐓成形過程分析

基于電-熱-力多場動態耦合模型，進行了大規格電鐓的模擬。如圖2（a）所示，在t=725s時，采用原始平面型砧子的電鐓模擬心部最高溫度為1120℃，電鐓蒜頭直徑為170.12mm，下沉深度為7.25mm。在t=950s時，電鐓模擬心部最高溫度為1128℃，電鐓蒜頭直徑為193.24mm，下沉深度為8.29mm，如圖2（b）所示。對比725s和950s時的電鐓成形情況，可以發現：隨著電鐓溫度的升高，材料在高溫下的金屬流動性增加，更多的材料被送進加熱區域并向電鐓蒜頭頭部方向聚集，導致電鐓蒜頭直徑變大;同時，伴隨著頂鐓力的增加，平面型砧子的接觸面積相對來說更小，壓強更大，下沉深度也更深。因此，隨著頂鐓力的增大和溫度的升高，平面型砧子的下沉深度變得更大。

3 ?電鐓端面凹陷改善效果

為突出曲面接觸式凹型砧子對電鐓端面凹陷的改善效果，在電鐓過程中，保證凹型砧子和平面型砧子的電鐓模型、端面倒角尺寸、頂鐓力、電流、聚料長度等工藝參數完全一致。如圖3（a）所示，在t=725s時，采用凹型砧子的電鐓模擬心部最高溫度為1121℃，電鐓蒜頭直徑為174.52mm，下沉深度僅為3.0mm。隨著電鐓的進行，頂鐓力和溫度逐漸升高，電鐓蒜頭直徑也逐漸變大。如圖3（b）所示，在t=950s時，采用凹型砧子的電鐓模擬心部最高溫度為1129℃，電鐓蒜頭直徑為200.08mm，下沉深度為3.0mm。對比725s和950s時刻的電鐓成形情況，可以發現：隨著溫度的升高和頂鐓力的增大，電鐓蒜頭直徑變大，而下沉深度保持不變。

對比原始平面型砧子和新型凹型砧子的電鐓模擬過程可以發現：相同時刻，兩種砧子的電鐓模擬溫度相差不大;采用凹型砧子的電鐓蒜頭端面下沉深度比平面型砧子的小很多。

為協同凹型砧子減小蒜頭端面的下沉深度和改善電鐓聚料形狀，本文還對圖2中的桿坯端面倒角大小進行研究。以倒角R分別為25mm、28mm、35mm為例，進行有限元電鐓模擬分析，不同R值下的電鐓成形參數及結果如表1所示，電鐓成形后的蒜頭形狀分別如圖4（a）、4（b）和4（c）所示。

隨著R的增大，電鐓蒜頭直徑逐漸減小，電鐓形狀過渡相對比較圓滑和平緩;電鐓蒜頭端面下沉深度卻逐漸增加且均小于平面型砧子。這是因為隨著R的增大，與砧子接觸的坯料端面材料減少，電鐓初期材料變形更加容易，在相同加載電流和頂鐓力作用下，R值大的桿坯受到的壓力更大，因此使得下沉深度加深。此外，在電鐓成形過程中，在端面圓角處理與凹型砧子的協同作用下，隨著R的增大，電鐓成形過程中的最高溫度會逐漸降低，可以有效避免晶粒長大粗化。因此，在凹型砧子與端面圓角處理的協同作用下，可以有效減小電鐓蒜頭端面的下沉深度和改善電鐓聚料形狀。

4 ?結語

此次研究針對超大規格氣閥電鐓成形過程中出現的蒜頭端面凹陷問題，提出了新型曲面接觸式凹型砧子方法。本文主要研究內容及結論如下：

①進行電鐓工藝電-熱-力多場有限元模擬，定性與定量的研究了電鐓成形過程中的蒜頭端面下沉深度、蒜頭直徑、電鐓溫度。

②針對超大規格氣閥電鐓蒜頭端面凹陷問題，提出設計新型曲面接觸式凹型砧子的方法，在凹型砧子與端面圓角處理的協同作用下，能有效降低蒜頭端面凹陷程度和改善電鐓聚料形狀。

參考文獻：

[1]潘佳.鎳基超合金氣閥坯電鐓成形勻細晶調控方法及工藝參數優化[D].重慶大學，2017.

[2]胡亞民，鄭恒杰.國內外電熱鐓粗工藝的發展[J].模具技術， 1989（3）：72-80.

[3]章爭榮.電鐓成形過程電熱力耦合有限元模擬若干關鍵技術的處理[J].塑性工程學報，2003，010（003）：37-40.

[4]錢進浩，胡亞民.鍛壓模具模腔的排氣孔設計[J].金屬加工：熱加工，2017（017）：4-8.

[5]詹宗楊.鎳基超合金動態再結晶與晶粒生長模型構建及其應用[D].2017.

基金項目：重慶市基礎研究與前沿探索項目（cstc2018jcyjAX0459），重慶市基礎與前沿研究計劃項目（cstc2016jcyjA0335），華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室開放基金課題（P2018-020）。

作者簡介：陳應戰（1974-），男，陜西西安人，中遠海運重工科信部經理，主要從事材料熱塑性成形研究;魯宏（1968-），男，安徽銅陵人，本科，南京中遠海運船舶設備配件有限公司;蔣立鶴（1991-），男，江蘇淮安人，南京中遠海運船舶設備配件有限公司主任工程師，主要從事材料熱塑性成形研究。