如何减小圆柱形坯料镦粗鼓形

如何减小圆柱形坯料镦粗鼓形

    在锻造生产中，镦粗是zui常见的基本工序。平砧镦粗坯料时，整个坯料按变形程度大小大致可以分

为3 个区，如图1 所示。第Ⅰ变形区程度zui小，一般成为困难变形区，第Ⅱ变形区变形程度zui大，第Ⅲ变

形区变形程度居中。这种变形不均匀的主要原因是由于镦粗砧板与毛坯端面之间的摩擦造成的。由于

第Ⅱ变形区变形程度大，第Ⅲ变形区变形程度小，于是在第Ⅱ变形区金属向外流动时便对第Ⅲ变形区金

属有径向压应力，并使其在切向受拉应力，越靠近时表面切向拉应力越大。当切向拉应力超过材料的强

度极限或切向变形超过材料允许的变形程度时，便引起纵向裂纹。减小镦粗鼓形的主要措施

为减小侧面鼓形，保证锻件质量，提高镦粗变形的均匀性，可以从改变毛坯端部的边界条件入手。

一条途径是减小毛坯端部接触面应力（如软金属垫镦粗和加润滑剂镦粗)或改变变形方式（如上、

下小方砧局部镦粗、侧凹坯料镦粗、套环内镦粗和叠锻等)。除了以上传统的工艺外，文献[1]提出一种圆

柱无鼓镦粗方法，即将圆柱形坯料的上下端面预制成凹形[1]。由于在工具表面与工件的接触面中，不存

在黏着区而使之变形均匀。实质上该法也是通过改变工具与工件的接触面大小，控制工件的外摩擦达

到改变变形形状的目的。另一条途径是改变镦粗板形。例如燕山大学刘

助柏教授提到的锥形板镦粗新工艺[2]，这种工艺改善了变形体内部的应力状态（为三向压应力），迫使平

板镦粗的难变形区变形，锻件鼓形小，整体变形均匀，消除或降低了平板镦粗静水应力区的剪切变形

强度。对锻合毛坯的内部空洞缺陷，改善毛坯内部金属的组织与力学性能，防止内部新缺陷的产生起到

了良好的作用。在这两种途径中，很多学者做了大量的定性物理模拟和定量数值模拟。其中文献[3]应用锻造有限元软件DEFORM 作为模拟平台，对传统的减小镦粗鼓形的措施进行了数值模拟，发现与普通镦粗相比，侧凹坯料镦粗、软金属垫镦粗和套环内镦粗都能不同程度地减小鼓形的大小，其中套环内镦粗工艺减

小鼓形zui显著。传统的减小镦粗鼓形的镦粗方法。由此，作者利用DEFORM 有限元分析软件对一

般平板镦粗、套环内镦粗工艺、毛坯凹形端面镦粗和锥形板镦粗进行了模拟对比。

建立模型

上述三种工艺措施的模拟过程均在相同的条件下进行，模拟材料45钢，假定材料各向同性，双线性等向强化。材料屈服点σs=60MPa，弹性模量E=90×103MPa，泊松比μ=0.3。圆柱体毛坯原始尺寸：高度H0=150mm直径D0=100mm，高径比H0/D0=1.5，压下量45mm，压下率η=30%。锥形板镦粗中锥形板α=15°，镦粗后的直径为90mm，高为105mm。毛坯凹形端面镦粗端面凹坑深度δ=11mm，直径d=50mm，圆弧半径R=119mm。

坯料划分为10000 个网格单元，模拟步数为100 步，每步压下量为0.45mm，则镦粗比KH=1.5。设定锻造

初始温度1200℃，坯料与模具之间的摩擦系数0.3，上砧移动速度20mm/s。毛坯凹形端面镦粗毛坯形状

毛坯凹形端面镦粗的相对直径比zui小，鼓形也zui小，其次是套环内镦粗和锥形板镦粗，而平板镦粗的鼓形zui大。

种镦粗方式模拟后的毛坯等效应力分布图。

它们的共同点都是在与砧面接触的地方等效应力大，并且平板镦粗和套环内镦粗要比其

他两种方式的镦粗应力面积要大。这是由于毛坯与上下砧接触面之间摩擦和温度降低造

成的，接触面积越大，应力集中就越大。套圈内镦粗和普通的平板镦粗相比基本没有多大

改善，由于套环的存在使得坯料鼓形区周围受到压应力作用，所以在应力分布图上可以

看到在套环内镦粗毛坯的鼓形区有应力分布，而在平板镦粗却没有。锥形板镦粗主要分

布在镦粗时形成的锥形接触面上，大大改善了坯料内部的应力情况，使其处于较好的三

向压应力状态。带凹坑毛坯的锻件镦粗时，由于砧面与坯料中心不接触，所以其应力主要

集中在毛坯上下端面的环形接触面上，接触面积小。等效应变为4 种镦粗方式模拟后的毛坯等效应变分

布图。3 种镦粗工艺与平板镦粗的毛坯内部的等效应变相比都好。套圈内镦粗和平板镦粗很相似，两端

面的难变形区始终只有极小量的变形，但由于套圈镦粗在其毛坯周边加了套圈，使其对毛坯施加压应

力，所以，它比平板镦粗有了一定的改善。从图中看到毛坯凹形端面镦粗的等效应变相对比较均匀，毛

坯内部组织得到了很好的锻合。锥形板镦粗不但其中心内部得到很好的锻合，而且难变形区面积明显

变小，仅仅局限在毛坯上下端面的圆周方向上。

结论

本文通过对4 种镦粗工艺措施的有限元模拟，

发现与传统的3 种减小镦粗鼓形的措施相比，套环

内镦粗工艺、毛坯凹形端面镦粗和锥形板镦粗能不同程度地减小鼓形。其中毛坯凹形端面镦粗减小鼓

形效果zui为明显，毛坯凹形端面镦粗和锥形板镦粗

都在很大程度上提高了镦粗毛坯的变形均匀性。同

时也说明，采用商业化的锻造有限元软件DEFORM

对锻造过程进行数值模拟是可行的，这对锻造生产

将具有现实的指导意义。