大型轉子鍛件鍛造常用壓實方法 數值模擬對比分析

張建國 時立佳 劉金恒 常耀東 李成本

(1．天津重型裝備工程研究有限公司,天津 300457; 2．一重集團大連工程技術有限公司,遼寧 大連 116600)

為節約能源,提高熱效率,發電設備正向著大容量、高參數方向發展。機組的大型化也帶來轉子鍛件的尺寸、重量的增加,對材料的力學性能要求也越來越高。原始鋼錠越大,其內部缺陷就越多,轉子鍛件的壓實過程是改善缺陷、提高轉子質量和性能的重要方法[1]。不同壓實方法采用不同砧型,不同砧型在鍛造過程對轉子性能產生重要影響,為了得到質量高,性能好的轉子鍛件,必須選擇合適壓實方法[2-3]。自20世紀70年代以來,國內外大鍛件生產廠家不斷研究開發了KD法、FM法、WHF法等。KD法是中國一重創造的寬砧大壓下量法,與WHF的區別是砧型不同,拔長效率KD法大于WHF,但WHF法所需壓機噸位較小[4]。FM法是免除曼內斯曼效應的鍛造法,鍛件心部不產生拉應力[5]。本文以199 t鋼錠為研究對象,設計了不同方案對三種壓實方法進行對比,分析不同方法的壓實效果,為實際生產時壓實方法的選擇和合理搭配提供依據。

1 前處理模型設置

選擇材料為30Cr2Ni4MoV的199 t鋼錠為坯料進行鍛造,初始溫度為1220℃,模擬實際鍛造工況,空冷約10 min后進行拔長。三種不同方法使用的輔具為:KD(1500 mm上下V砧),WHF(1500 mm上下平砧),FM(1500 mm上平砧、下平臺)。摩擦系數設置為0.7,傳熱:坯料與空氣為0.02 N/s/mm/℃,坯料與附具為2 N/s/mm/℃,壓下速度為10 mm/s。圖1為三種不同拔長模型。

2 不同壓實方法數值模擬對比

為對不同壓實方法下坯料心部壓實效果進行對比,選取目前常用的幾個指標進行對比,模擬單砧壓實時,選用等效應變、靜水應力、最大主應力和Q值進行對比;模擬一次鐓粗拔長和兩次鐓粗拔長時,選取等效應變和Q值進行對比。Q值為應力三軸度積分值,表征能量,后文簡稱Q值,計算公式為:

式中,ε為應變。等效應變和Q值越大,說明壓實效果越好;靜水應力和最大主應力值則是越小,表征壓實效果越好。一般認為坯料心部等效應變值>1.2或Q值>0.8時,可保證鍛件心部的充分壓實(假設坯料心部存在孔洞)。

2.1 單砧壓下情況對比

(1)單砧壓下時砧下全截面應力應變狀態變化情況

圖2為單砧壓下時,三種壓實方法在不同壓下率時的等效應變分布情況。壓下率設置為30%。隨著壓下量增加,應變由砧下變形死區擴展到心部,后期心部區域等效應變值最大,在相同的壓下率,KD法心部首先出現變形,且隨著壓下率增大,等效應變數值增加較快,等效應變表征的壓實效果KD法>FM法>WHF法。

KD FM WHF

圖3為單砧壓下時,三種壓實方法的全截面靜水應力分布情況,壓下的全過程,坯料全截面靜水應力始終為壓應力,隨著壓下量增加,靜水應力負值增加,砧下區域至心部的壓應力值遞減,在相同壓下率下,靜水應力表征的壓實效果KD法>FM法>WHF法。

KD FM WHF

圖4為單砧壓下時,三種壓實方法的最大主應力分布情況,壓下初始,坯料砧下區域最大主應力為壓應力,心部區域為拉應力,隨著壓下量增加,最大主應力負值區域由砧下區域擴展到心部,KD法在壓下率5%時,心部最大主應力已經為壓應力。在相同壓下率下,最大主應力表征的壓實效果KD法>FM法>WHF法。

圖4 不同壓實方法最大主應力分布情況(壓下率30%)

(2)單砧壓下時心部點壓實指標對比

如圖5所示,取砧下中心點及X、Y、Z方向距其250 mm等距離的六個點的平均值計算各項應力應變指標值。

圖5 心部追蹤點示意圖

圖6為三種不同壓實方法的等效應變值隨壓下率變化情況,隨壓下量增大基本呈線性增加趨勢,KD法斜率較WHF法及FM法大。在壓下率達5%～7%時,心部開始產生變形,心部應變值達0.3時,KD法在壓下率約18%,FM法及WHF法約23%～24%。等效應變值KD法最大,另外兩種方法接近。

圖6 不同壓實方法的等效應變值隨壓下率變化情況

圖7為三種不同壓實方法的靜水應力值隨壓下率變化情況,壓下過程中坯料靜水應力都始終為壓應力,隨著壓下量增加,靜水應力負值增加,在相同壓下率下,靜水應力狀態KD法>FM法>WHF法。

圖7 不同壓實方法的靜水應力隨壓下率變化情況

圖8為三種不同壓實方法的最大主應力值隨隨壓下率變化情況,隨著壓下量的增加,最大主應力先增大后減小,由拉應力逐漸轉變為壓應力。KD法拉應力最大值在壓下率約7%～8%之間,為2.5 MPa,在壓下約13%時轉變為壓應力狀態;WHF法與FM法最大值在壓下率約10%～13%之間,為5.5 MPa,在壓下約21%時轉變為壓應力狀態。KD法最優,另外兩種方法接近。

圖8 不同壓實方法的最大主應力隨壓下率變化情況

圖9為三種不同壓實方法Q值隨壓下率變化情況,在壓下全過程Q值隨著壓下量增加而增加,其中KD法Q值最大,WHF和FM相差不大。在相同壓下率下,Q值KD法>FM法>WHF法。

圖9 不同壓實方法的Q值隨壓下率變化情況

綜上所述、通過等效應變、靜水應力、最大主應力及Q值等指標的對比分析,可知在單砧壓下30%的情況下,各向指標值表征的壓實效果趨勢為KD法>FM法>WHF法,且KD法優勢顯著,在單砧壓下時KD法效果最為明顯與坯料初始為圓截面有較大相關性。

2.2 一次鐓粗拔長后壓實效果對比

在后續的一次鐓粗拔長和兩次鐓粗拔長過程數值模擬對比分析中,同時考慮不同壓下順序、及不同錯砧量的影響,其具體表示方法:

KD-CBZ:KD法,壓完一道次后錯半砧壓下;

KD-0.3:KD法,壓完一道次后錯1/3砧壓下;

KD-SM:KD法,水冒口交替步砧壓下;

其它方法規則同上;

FM-1800:FM法,砧寬1800 mm;

WHF-1700法:WHF法,砧寬1700 mm。

鋼錠選用199 t上注錠,鋼錠平均直徑約2700 mm。第一次鐓粗比約1.8,拔長比約2.5。以錠身冒口端冒口線為零點,每隔200 mm取一點,共取14個點,均勻分布在軸身心部,如圖10所示,其中P4-P12之間一般為鍛件軸身范圍。

一次鐓粗拔長后,三種不同壓實方法等效應變的分布情況如圖11所示。在此對FM法增加了1800 mm砧寬的對比,從圖中可見三種方法的等效應變最大值都分布在坯料心部,KD等效應變分布均勻,FM和WHF等效應變分布不均,FM法最大值范圍較KD法略大,WHF心部等效應變最大值區域較KD法和FM法小。1800 mm砧寬的FM法的心部等效應變最大值區域顯著大于1500 mm砧寬的FM法,說明在大砧寬比壓下有利于坯料心部壓實,其余傳統理論和文獻結論一致。

KD FM WHF FM-1800 mm

圖12為不同壓實方法及壓下方案下等效應變對比,可見其指標表征壓實效果為FM-1800>FM>KD≈WHF,由圖可見不同壓下順序及不同的錯砧量壓下時,等效應變值在鍛件軸向皆呈現中間大、兩端小的分布,最大值區域皆在鍛件中心,隨著不同壓下順序其最大值范圍略微向相應方向移動,但總體看影響不大。

圖12 不同壓實方法及壓下方案下等效應變對比

圖13為不同壓實方法及壓下方案下Q值對比,總體情況FM-1800>KD>WHF-1700≈FM>WHF,FM-1800法較其它方法優勢顯著,WHF法與其它兩種方法對比相差較多,WHF-1700冒口端數值與KD接近,但水口端數值較差,不同壓下順序及錯砧方式壓下時,對數值影響不大,最大值區域分布隨壓下順序不同在軸向相應移動。

圖13 不同壓實方法及壓下方案下Q值對比

綜上可見,鋼錠一次鐓粗后,采用不同壓實方法進行拔長,其心部等效應變、Q值分布規律基本一致,不同壓實順序和錯砧量對指標值影響不大,最大值區域分布隨壓下順序不同在軸向相應移動,規律是先壓下部位心部值相對較大。軸身區等效應變值三種方法基本都能滿足壓實要求(>1.2),但Q值都未能完全滿足要求?？傮w指標表征壓實效果為FM法最優,KD法次之,但指標值相差不大。

2.3 第二次鐓粗拔長后壓實效果對比

在前文第一次鐓粗拔長數值模擬時已對不同壓實方法、不同錯砧方案和壓下順序壓實后坯料心部的壓實效果進行對比,二次鐓粗拔長分別模擬KD法、WHF法和FM法三種方法相互搭配使用時心部的壓實效果進行對比。在進行第二次鐓粗拔長時,坯料繼承第一次鐓粗拔長后參數,KD-KD表示兩次KD法拔長、KD-FM表示第一次拔長使用KD法,第二次拔長使用FM法。圖14為第二次鐓粗拔長示意圖。

第二次鐓粗 第二次拔長

KD-KD KD-FM FM-FM FM-KD WHF-WHF

圖15、圖16為坯料心部等效應變分布和對比。由圖15可見,KD-KD法的等效應變分布最均勻,FM-FM、KD-FM的等效應變最大值區域明顯較大,WHF-WHF法的等效應變最大值區域最小。由圖16可以看到,等效應變值總體情況為FM-FM法、KD-FM法、FM-KD法及KD-KD法接近,都顯著優于WHF-WHF法,坯料中部等效應變值順序FM-FM法>KD-FM法>FM-KD法>KD-KD法>WHF-WHF法。

圖16 不同壓實方法搭配下等效應變值對比

由圖17可見KD及FM法兩次鐓粗拔長后整體Q值分布接近一致,數值大小方面FM-FM≈FM-KD>KD-KD≈KD-FM。與第一次鐓粗拔長后結果對比可見坯料截面接近方形或多邊形時,FM法應力狀態與KD法相當。

圖17 不同壓實方法搭配下Q值對比

可見在進行完兩次鐓粗拔長后,三種方法搭配下坯料心部等效應變、Q值分布規律與第一次鐓粗拔長相同,等效應變值和Q值整體相差不大,兩次WHF法等效應變值略小一些,但經過兩次鐓粗拔長后,其等效應變值和Q值都已遠超心部壓實的臨界值。

3 結論

(1)單砧壓下時,通過對等效應變、靜水應力、最大主應力及Q值等指標對比,表征的趨勢為KD法>FM法>WHF法,且KD法優勢顯著,與坯料初始為圓截面有較大相關性。

(2)鋼錠經一次鐓粗后,采用不同壓實方法進行拔長,其心部等效應變、Q值在鍛件軸線分布均呈現中間大、端部小的規律,不同壓下順序時,先壓下部位心部指標值略大,不同錯砧量對指標值影響不大?？傮w指標表征壓實效果為FM法最優,KD法次之,但指標值相差不大。軸身區等效應變值三種方法都能滿足壓實要求,但Q值都未能完全滿足要求。

(3)鋼錠兩次鐓粗拔長后,三種方法搭配下坯料心部等效應變、Q值整體相差不大,兩次WHF法等效應變值略小一些,但經過兩次鐓粗拔長后,其等效應變值和Q值都已遠超心部壓實的臨界值。

(4)通過不同壓實方法對199 t鋼錠進行兩次鐓粗、拔長數值模擬對比分析,可知目前行業內常用的WHF法、KD法及FM法對鍛件心部的壓實效果相差不大,從絕對值比較FM法和KD法略優一些,但都能充分滿足坯料心部的壓實要求,保險系數較高。實際選用時可根據鍛件特點及實際工況條件進行搭配使用。