5CrNiMo模块锻件拔长折叠产生的判据*

赵学智 范燕波 夏琴香† 吕明柯

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640;2.韶关市中机重工锻压有限公司，广东 韶关 512000)

折叠是金属变形过程中已氧化的表层金属汇合到一起的一种现象［1］.在拔长锻造过程中，当锻件送进量较小而压下量很大时，常常会出现锻件上、下两端部分金属的局部变形，一部分金属被压入另一部分金属内，从而产生折叠现象［2-3］(如图1所示).拔长锻造过程中，锻件表面折叠的深浅程度不同，如果锻件表面折叠较浅，其对锻件质量的影响就较小，较浅的表面折叠也可以通过锻后的机加工加以切除［4］;但如果锻件表面折叠较深，其对锻件质量的影响非常严重——较深的折叠不仅会损害锻件表面的完整性，降低锻件表面受载荷的总面积，而且折叠本身就是一种锻件内部缺陷，它使得锻件受载时容易产生应力集中，成为载荷疲劳源，从而使锻件产生裂纹，甚至断裂报废［5-7］.对于5CrNiMo 模块锻件，由于采用了径向十字锻造法，其锻造过程包含两次拔长过程，每一次的拔长锻造比都必须大于2，而且要充分了解锻合锻件内部存在的缺陷，就必须采用大压下量［8-9］.如果拔长锻件的表面产生折叠，将对锻件最终的成形质量产生重大影响，因此应该制定合理的拔长工艺，有效地防止锻件折叠的产生.

图1 拔长过程中折叠的产生Fig.1 Formation of folding during the stretching

1 研究对象

文中所研究的汽车发动机曲轴用模锻5CrNiMo模块的尺寸为1 520 mm ×607 mm ×305 mm.根据模块尺寸进行钢锭的设计，确定钢锭重2.8 t，其尺寸为φ580 mm×1 350 mm.采用8 t 自由锻电液锤进行锻打，其上下砧宽为460 mm;锻造温度区间为800～1200 ℃［10］.根据钢锭重量特征，总体锻造比需大于5 以上［11］，因此采用两次镦拔的径向十字锻造法进行锻造(如图2 所示)，镦粗锻造比取1.8，拔长锻造比取2［12］，总体锻造比为7.6(大于5).

图2 径向十字锻造示意图Fig.2 Schematic diagram of axial repeated upsetting and stretching

2 有限元建模

采用ΔH 来表示压下量，用W 来表示送进量.根据压下量和送进量对锻件表面折叠的影响规律［13］，可用压下量和送进量比M(M=ΔH/W)来表示压下量和送进量之间的关系，分析不同M 值对折叠的影响.

图3 拔长有限元模型Fig.3 Finite element model used for stretching

分别在100、200 和300 mm 的压下量下，根据不同的M 值建立各锻件拔长的有限元模型(如图3 所示).在模型中，工件材料为5CrNiMo，初始尺寸为1000 mm×600 mm ×600 mm，取1/2 对称模型进行模拟，上下砧均为刚性体，材料均为H-13 钢［14］.对模型进行网格划分以模拟温度传导，其他工艺参数如表1 所示［15］.

表1 有限元仿真的主要参数Table 1 Main parameters used for finite eleme nt simulation

3 模拟结果分析

为了准确地表示折叠的产生和严重性，分别引入最大折叠角α 和折叠深度Vd作为量化指标.其中折叠角α 表示拔长过程中两个折叠面之间的最大夹角(如图4(a)所示)，并且规定，对于平面，α=180°，因此，通常情况下α≥180°;当α=360°时，即已经产生折叠现象.折叠深度Vd则表示折叠角达360°时折叠区域的垂直距离(如图4(b)所示)，Vd越大，表示折叠程度越严重.

图4 折叠程度定义示意图Fig.4 Representation of folding extent

为了研究的方便，文中只选取ΔH=200 mm 下，M=0.6，1.0，1.4 时的情况作为典型示例进行流线分析.拔长后锻件的金属流线如图5 所示，由流线图可以知:在较大M 值下，拔长过程中锻件表面产生严重的折叠;而在较小的M 值下，拔长锻件表面不会产生折叠.在其他条件不变的情况下，折叠的严重程度与M 值存在着密切的关系.

分别提取流线的折叠角和折叠深度，即根据模拟出来的金属流线图(图5)对闭合流线之间的夹角和深度进行测量.

图5 折叠区域的金属流线图Fig.5 Metal flow lines of folded region

图6 为不同压下量下最大折叠角α 随M 值的变化曲线.由图可见，不同压下量下的最大折叠角α随M 值的变化具有相同的规律，其变化曲线基本一致.当M ＜0.8 时，α 随着M 值的增大呈不断上升的趋势;当M 达0.8 后，α 趋近于360°;随后，α 基本在0.8～1.0 的M 值区间达到360°(即已经产生折叠);当M＞1.0 时，α 不再变化，保持在360°.出现这种现象的主要原因是:在较小M 值下，拔长过程不会产生折叠现象;而随着M 值的增大，拔长过程逐渐地趋近于产生折叠的临界区间，锻件表面的金属流动加快，此过程中α 会一直不断增大，并且在产生折叠的临界区间达到最大值360°;M 值超过1.0后，拔长过程开始进入折叠区域，此时α 会一直保持在最大值360°.

图6 最大折叠角α 的变化曲线Fig.6 Variation curves of maximum folding angle α

图7 为不同压下量下折叠深度Vd随M 值的变化曲线.由图可见，在不同压下量下，Vd随M 值的变化存在着相似的规律，曲线的变化趋势相近.在M值较小的阶段，由于拔长过程不会产生折叠现象，因此当M ＜0.8 时，不同压下量下的折叠深度都为0;而当M 达到0.8、压下量为200 和300 mm 时，Vd开始增长，并且随着M 值的增大而呈现不断增大的趋势;压下量为100 mm 时，Vd在M 值达到0.9 后才开始增大，随后也随M 值的增大而不断增大;不同压下量下，Vd随M 值增大的速度不一样.压下量为300 mm 时，Vd随M 值增大的速度最快;而压下量为100 mm 时，Vd随M 值增大的速度最慢.究其原因，主要在于:M 值较小时，不同压下量下的锻件表面不产生折叠现象，Vd为0;当M 值增大到折叠产生的临界区间时，在较大的压下量下，由于锻件表面金属相对流动量比较大也比较快，最先产生了折叠现象，且由于金属流动量大，折叠区域产生的深度要比其他压下量下还大，因此Vd随M 值的增大而上升的速度最快.

图7 折叠深度Vd 的变化曲线Fig.7 Variation curves of folding depth Vd

综上分析，在不同压下量下，拔长过程中锻件表面折叠的最大折叠角α 和折叠深度Vd随M 值的变化曲线有着相似的规律.拔长过程中锻件表面产生折叠的临界点虽然不完全一致，但都存在一个共同的临界区间，即M 值临界区间0.8～1.0.因此，可将0.8～1.0 这一区间作为判断拔长过程中锻件表面折叠产生的判据:当M 低于这一范围时，锻件表面不产生折叠裂纹;当M 属于或超出这一范围时，锻件表面产生折叠裂纹.

为了避免拔长过程中锻件表面折叠的产生，压下量与送进量的比值ΔH/W(M)宜介于0.8～1.0之间.

4 试验验证

4.1 试验设备

小试样镦粗试验的加热设备采用UNITEK/SX2-9-12 型试验箱式电阻炉，其最高加热温度可达1100 ℃;锻造设备采用C41-75 型空气锤;砧型尺寸为65 mm(宽)×145 mm(长)，试样镦粗后的尺寸测量采用卡钳和量尺相结合的方式.

4.2 锻造试验方案

先利用夹钳把加热后的5CrNiMo 圆棒料移送到空气锤上制作拔长折叠试样(如图8(a)所示)，试样规格为65 mm ×40 mm ×40 mm，然后重新把试样加热到1100 ℃，使锻坯温度均匀，再进行拔长试验.根据前面的分析，产生拔长折叠的M 值临界点在0.8～1.0之间，锻打试验在压下量ΔH=20 mm 下进行，M 值分别取为0.6、0.8、1.0 和1.2，则相应地取送进量为34、26、20 和16 mm 进行拔长锻打，锻打过程如图8(b)所示.锻打后分别观察不同M 值下试样表面产生折叠的情况.

图8 拔长折叠试验过程Fig.8 Experiment process of stretching-induced folding

4.3 试验结果分析

相同压下量下，不同送进量(即不同M 值下)拔长后的锻件如图9 所示.由图可见:当M=0.6(W=34 mm)时，锻件表面比较光滑和完整，没有折叠的痕迹;当M=0.8(W=26 mm)时，锻件表面也比较完整，只有轻微的锻造痕迹;而当M=1.0(W=20 mm)时，锻件表面已经出现比较明显的折叠现象;当M=1.2(W=16 mm)时，锻件表面的折叠现象最为严重.

由图9 可见，M=0.8 时不产生折叠，M=1.0 时则产生折叠，因此在0.8～1.0 之间再取M=0.85和M=0.90 进行拔长试验，结果如图10 所示.可见:当M=0.85 时，拔长过程中不产生折叠现象;而当M=0.90 时，锻件表面出现了微小的折叠裂纹.

图9 折叠试验结果Fig.9 Results of folding experiment

图10 M=0.85 和M=0.90 时的拔长折叠图Fig.10 Stretching-induced folding images when M=0.85 and M=0.90

为了进一步确认M=0.90 时锻件表面折叠的严重性，在锻件表面折叠位置沿着锻件纵向剖开，锻件剖开后的平面图如图11 所示，锻件表面出现了比较浅的折叠，其深度Vd=1.0 mm，因此，折叠产生的M 值临界区间在0.85～0.90 之间.

图11 M=0.90 时锻件的纵向剖切图Fig.11 Longitudinal section of forge piece when M=0.90

综上所述，当M ＜0.8 时，锻件表面不会产生折叠现象;而当M≥1.0 时，锻件表面会产生明显的折叠现象.这与前面根据模拟结果得出的折叠产生判据相吻合，从而有效验证了拔长过程中折叠产生的判据的准确性.

5 结论

文中通过对5CrNiMo 模块锻件拔长折叠的有限元模拟及实验验证，得到以下结论:

(1)最大折叠角α 和折叠深度Vd都随着M 值的增大而增大.M 值越大，拔长过程中锻件表面就越容易产生折叠现象.

(2)拔长折叠的产生都存在着一个共同的M 值临界区间，即0.8～1.0.该区间可作为拔长过程中锻件表面折叠产生的判断条件:当M 值低于该区间时，锻件表面不产生折叠裂纹;而当M 属于或超过该区间时，锻件表面产生折叠裂纹.

因此，为了避免拔长过程锻件表面折叠的产生，压下量与送进量的比值ΔH/W 应在0.8～1.0 的范围内选择.

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