本文以大型轴类锻件锻造所用大型钢锭为研究对象，将计算机模拟、物理试验、Q-Value法三者结合，形成了一套完善的针对孔洞类缺陷闭合过程的模拟分析预测方法，模拟结果外形尺寸与实际生产各火次吻合度高，并成功应用到其他产品的锻造模拟过程，验证了我公司大型轴类锻件锻造工艺对孔洞缺陷的焊合效果。
大型钢锭内部质量问题一直是困扰我公司多年来的质量问题，尤其是孔洞类缺陷未能锻合导致最终产品探伤无底报废，精确的预测孔洞类缺陷在锻造变形过程中的闭合乃至焊合显得尤为重要。
本次研究旨在对大型轴类锻件整个锻造变形过程进行实际工况模拟及试验研究，通过在钢锭冒口端铸态缺陷易残留部位植入假想缺陷，运用模拟及试验手段对缺陷在整个锻造变形过程中进行跟踪，并对缺陷最终的位置及形状进行分析，探究锻造工艺对原始缺陷分布及形变的影响，掌握孔洞类缺陷在锻造变形过程中的演化规律，从而对锻造工艺进行理论指导与优化。此外，通过对DEFORM-3D软件二次开发引入Q-Value法对孔洞缺陷预测结果进行验证。
计算机模拟、物理试验、Q-Value法三者结合，形成了一套完善的针对孔洞类缺陷闭合过程的模拟分析预测方法，解决了锻造模拟中偏心、操作机随动、连续性模拟等一系列技术难题，模拟结果外形尺寸与实际生产各火次吻合度高，并成功应用到我公司其他产品的锻造模拟过程，验证了目前我公司大型轴类锻件锻造工艺对孔洞缺陷的焊合效果。
常规模拟研究
孔洞缺陷闭合过程常规模拟研究一般采用在有限元模型中植入缺陷网格进行锻造变形模拟。本次研究以某厂300吨级钢锭为研究对象，常规模拟研究中，严格遵循实际工况及工艺规程，包括考虑取料过程坯料表面的降温、压钳口、操作机夹持随动等以往在模拟中忽略的因素。锻造工艺过程：压钳口→FM预拔长→镦粗、规方→FM压实，模拟中各工艺参数的设置均与实际生产保持一致。图1为常规模拟研究初始有限元模型。
图1 常规模拟研究初始有限元模型
物理试验研究
铅在室温下能再结晶，其应力-应变关系曲线和应变速度-应力关系曲线与高温锻钢的相应曲线基本相似；此外，鉴于燕山大学刘助柏教授曾用钢制试棒中心打通孔研究了圆柱体镦粗变形情况。综上，本次试验制备1∶30铅制坯料，并尝试在铅料中心打孔并用低熔点合金人工制造缺陷或孔洞(图2)，借此模拟研究钢锭缺陷在锻造变形过程中的形状及位置的变化。
本次研究试验在100t试验压力机上完成铅制坯料的锻造变形工序，所用锻造辅具均为重新按实际生产1∶30等比例缩小设计，各变形工艺及压下参数亦参照实际生产设定，锻造完成后通过剖切分析缺陷变形及分布情况。部分物理试验过程如图3所示。
图2 物理试验初始孔洞缺陷
图3 物理试验坯料锻造过程
Q-Value法研究
国内外多项研究表明，孔洞缺陷的闭合过程可以通过Q-Value法进行预测，计算如式(1)。当累积变形达到一个临界值Q时，孔洞闭合，Q值也称闭合因子，此时的临界值即为闭合阈值，本文暂取0.3。通过计算Q值在锻造模拟中的分布云图，可以研究大型钢锭孔洞类缺陷在锻造变形过程中的闭合过程。
式中：σm为静水压应力，σeq为等效应力，εeq为等效应变。
上述式(1)为积分式，计算存在诸多不便，在DEFORM-3D模拟软件中，可以通过将式(1)进行离散化(式2)，利用软件中用户子程序进行Q值的计算，并得到其分布云图，从而利用有限元模拟软件预测锻造过程中孔洞类缺陷的闭合情况。
DEFORM-3D模拟软件用户子程序USRUPD是一个用户定义节点和单元变量的子程序，用户可以通过定义特殊的节点或单元变量实现后处理中不具备的参量的计算功能。本次研究通过对UPD模块二次开发计算Q值并得到其模拟分布云图。
模拟及试验结果
有限元模拟与物理试验坯料镦粗后外形对比如图4所示，两者外形尺寸较为接近，吻合度较高。
图4 大型钢锭镦粗后坯料对比图
通过以往相关文献及模拟研究，我们可以确认，圆柱形孔洞在锻造变形过程中的闭合是有取向性的，即沿着第一次主要变形方向发生闭合。此外，孔洞缺陷经过锻造变形最终闭合，难以比较评价。基于此我们选择对FM压实第一道次后坯料进行剖切比较：在试验过程中记录第一锤的压下方向，并在坯料上做好标记。第一次剖切选择垂直于孔洞闭合后的平面，以便能观察到整个孔洞缺陷闭合后的形貌；第二次剖切则选择在第一次横向剖切后，孔洞缺陷未闭合完全的位置进行纵向剖切，以便观察测量未闭合缺陷部位的详细形状及尺寸。剖切方案如图5所示。
坯料剖切后，测量比对模拟与试验孔洞缺陷变化结果如图6、图7所示。通过对比可知，FM压实第一道次后，孔洞缺陷位置、形状变化趋势是一致的，试验结果与模拟结果吻合较好：即冒口端缺陷闭合程度较小，仍留有较大孔洞，长圆形缺陷整体均表现为中间首先趋于闭合，两端仍有不同程度未闭合孔洞留存。但缺陷具体尺寸方面，试验结果与模拟结果出现了一定的误差，主要是由于材料模型不一致，且试验过程中布砧位置与模拟存在少量差异。
图5 两次剖切平面示意图
图6 物理试验FM压实第一道次后孔洞缺陷测绘示意图
图7 有限元模拟FM压实第一道次后孔洞缺陷示意图
从模拟结果可以判断，经FM最终压实后初始孔洞缺陷除靠近冒口端心部位置，其余部分已经完全闭合，冒口端未闭合部分主要是由于镦粗时钳把部位在漏盘中“勒料”没有得到充分压实，而这部分坯料在最终产品往往被作为冒口弃料割掉。通过对物理试验最终坯料的剖切也可以验证以上孔洞缺陷闭合情况，如图8所示。
图8 坯料FM最终压实后有限元模拟及物理试验剖切结果对比图
最后，通过Q-Value法对DEFORM软件二次开发计算FM锻造过程坯料心部各点累积Q值及初始选取位置如图9、图10所示，变形过程与边界条件等与常规模拟设置保持完全一致。图10表明，FM六个道次压实后，除P1、P6点Q值累积水平在闭合阈值0.3以下，其余四点Q值累积均已超过0.3，在模拟及试验中表现为孔洞闭合。P6位置为水口端，在模拟及试验中并未预制孔洞；P1点为靠近冒口端位置，六个道次Q值累积仅有0.05，在模拟及试验最终结果中清晰可见未闭合的残留孔洞，进一步验证了常规有限元模拟及物理试验的准确性。
图9 坯料中心截面初始6个参考点位置选取示意图
图10 FM压实变形过程中6个参考点Q值随模拟时间变化曲线
结论
⑴通过对计算机模拟、物理试验、Q-Value法三者结合，形成了一套完善的针对大型钢锭孔洞类缺陷闭合过程的模拟分析预测方法，三种方法相辅相成、互相验证，预测准确性较高。
⑵该方法验证了目前我公司大型轴类锻件锻造工艺对孔洞缺陷压实焊合的有效性，并成功应用到其他产品的锻造模拟过程。
作者简介
韩笑宇，工程师，轧辊研究部研究员，主要从事轧辊工艺及数值模拟方面的研究。
——本文摘自《锻造与冲压》杂志2019年第23期。
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