数值模拟技术在大型自由锻件生产领域的应用

门正兴 房 鑫

(二重集团(德阳)重型装备股份有限公司，四川618013)

数值模拟技术在大型自由锻件生产领域的应用

门正兴 房 鑫

(二重集团(德阳)重型装备股份有限公司，四川618013)

对大型自由锻件领域涉及的数值模拟分析方法进行了总结，分析了数值模拟技术在大型自由锻件成形方面的主要作用和不足。最后根据大型水电主轴的修复过程简述了数值模拟分析在自由锻成形领域的实际应用。

数值模拟；大型自由锻件；制造过程

大型自由锻件是重大装备制造业的核心部件，被广泛应用于电力、冶金、石油化工、核能、国防军工等领域，典型的产品有发电机汽轮机转子、核电及压力容器中的筒体、大型轧辊、船舶用传动轴等。随着国内外市场竞争的日趋激烈和新材料以及新产品的不断涌现，大型自由锻件企业必须对生产成本、生产及研发周期、材料利用率、产品性能等提出更高的要求，而基于传统经验模式的大型自由锻件设计、制造流程难以适应快速变化的产品及市场。为了适应日益激烈的市场环境，提高企业竞争力，科技创新成为大型自由锻件企业提高自身科研实力、提高企业效益的重要手段。

数值模拟技术在金属材料成形领域的应用已经有60多年的历史，随着各种商业数值模拟软件的推出以及计算机的普及，数值模拟分析技术逐步由高校及科研院所向企业扩展，成为产品设计开发必不可少的一个环节。数值模拟技术提升金属材料成形企业科研实力的能力有目共睹。例如，数值模拟技术在铸件及模锻件生产领域的使用已经非常普遍和成熟。通过对初始工艺方案的数值模拟分析，设计人员可以预测铸件和模锻件生产过程中可能出现的缺陷及组织性能，比较不同工艺方案的优缺点，从而在模具设计、水冒口设计、冷铁摆放等方面进行充分的考虑，大大提高产品的合格率。相比于铸件及模锻件领域，数值模拟分析技术在大型自由锻件领域的应用还不够广泛和成熟。本文主要介绍大型自由锻件领域中数值模拟技术的应用现状并结合实际案例进行分析，从而为数值模拟技术更好的应用于大型自由锻件领域提供参考。

1 大型自由锻件领域涉及的数值模拟技术

大型锻件的生产过程包括大型钢锭浇铸及凝固、钢锭加热及多火次锻造、锻件锻后及性能热处理、锻件机械加工、焊接及性能检验等几个方面，其中钢锭凝固、锻造、热处理以及焊接过程都可以采用相应的数值模拟软件进行分析，是国内外高校、研究所及企业从事研究工作的主要手段，并取得了显著的成果。

(1)大型钢锭凝固过程模拟现状

钢锭凝固过程数值模拟分析开始于20世纪60年代，目前主要的铸造凝固模拟商业软件有MAGMASOFT、PROCAST、ANYCAST、J-CAST等。该类软件以铸造凝固理论为指导，以计算机数值模拟为手段，可以预测大型钢锭的温度场及流场、宏观及微观缺陷分布、应力应变场分布等参数在钢锭浇铸及凝固过程中的变化，帮助设计人员选取钢锭模结构、控制浇铸及冷却过程、确定开箱时间等，从而控制及确保钢锭质量，缩短生产周期，降低生产成本，最终取得良好的经济效益。钢锭凝固过程数值模拟目前遇到的主要问题来源于计算模型的问题，不同的计算模型导致不同的结论。例如对于宏观偏析问题，目前的宏观偏析是基于热流质对流连续模型或体积平均模型来处理的，其分析结果只能在某些方面与实验结果相符。

(2)大型自由锻件锻造过程模拟现状

锻造过程数字模拟分析软件可以实现对锻造过程温度、载荷、应力应变、开裂倾向、晶粒度等进行预测。目前主要使用的商业软件有DEFROM、FORGE、SIMUFACT、ABAQUS等软件。锻造数值模拟技术在大型锻件自由锻领域的应用受到很大的制约，主要的原因来自自由锻过程本身的特点：1)大型钢锭中冶炼缺陷的分布随机性强，无法采用数值模拟技术进行有效的预测，导致数值模拟对大型锻件检测缺陷的预测结果不理想；2)大型锻件自由锻过程周期长、火次多，主要以多工步小进给过程为主，如滚圆拔长、芯轴拔长、马杠扩孔等，这导致模拟过程设置繁琐而且计算时间长，即使是单火次模拟也需要大量时间，更不要说全锻造工艺过程模拟；3)大部分大型锻件外形结构简单，采用数值模拟分析只能得到锻件温度场、应力及应变分布，针对大型锻件生产中关注的夹渣分布、空洞闭合、表面裂纹等信息少；4)锻件晶粒度模型建立周期长，锻造过程不确定因素多，导致锻件晶粒度预测不理想；5)锻造过程人为因素多，重复性差，同样的产品由于具体的生产条件不同，最终导致产品质量不同，因此模拟过程反映实际过程的难度大。

(3)大型锻件热处理过程模拟现状

热处理过程数值模拟可以对产品的正火、退火、回火、渗碳等工艺工程进行分析，对锻件温度场、应力应变场、含碳量、组织及晶粒度等参数进行预测。目前可以用于大型锻件热处理模拟的数值模拟软件很多，比较成熟的软件有Deform-HT、sysweld、ABAQUS等。热处理过程数值模拟目前存在的主要问题是：1)热处理过程比较复杂，很多现象很难用一种机制或公式进行描述，如回火过程中工件应力、硬度、组织的变化过程；2)热处理模拟需要大量材料参数，如CCT曲线、TTT曲线等，而材料的热物参数测试繁琐，费用高，周期长，需要长期的积累。

2 锻造过程数值模拟技术在自由锻领域的应用

数值模拟技术在大型锻件自由锻领域的应用较凝固、热处理、模锻领域还有非常大的差距，但是在大型锻件自由锻领域以下三个方面的应用已经非常成熟和普遍。

(1)复杂锻件的成形

大型封头、锥形筒体等薄壁异型件形状复杂、加工余量小、尺寸精度要求高，采用数值模拟分析可以有效的优化锻件生产工艺，提高该类产品的合格率。数值模拟分析通过判断模拟结果是否包括最终全部结果并且余量是否均匀评价使用的模具及成形工艺的好坏。通过判断成形过程中成形载荷是否超过设备额定载荷及锻件温度是否低于终锻温度来判断锻件成形火次的多少。通过判断锻件温度下降与时间的关系判断锻件保温措施是否到位。总之，数值模拟技术让工艺设计人员对复杂锻件的整个成形过程有更深入的了解，对锻造过程可能出现的问题提出预先的处理方案，最终提高锻件的合格率。

(2)新材料或超大型锻件成形

尽管在新材料或超大型锻件的生产前，生产企业会进行大量的材料基础实验和比例件的试制，但是根据经验和相似性原理得到的结论很难对新的情况进行预测，使得生产试制带有很大的盲目性，试制失败的风险大。数值模拟分析可以为设计人员提供虚拟的锻造全过程，然后根据载荷的大小调整成形方式，根据锻件心部的变形情况判断钢锭铸态组织是否被消除，根据晶粒度预测判断最终锻件是否达到设计要求等。数值模拟模型的建立和各种参数的确定直接影响数值模拟分析的准确性，因此数值模拟分析结果必须与实际生产过程中采集的数据进行对比，通过不断的调整参数，数值模拟分析的结果才可能得到认可，并对实际生产进行指导。

(3)大型锻件修复

设计不合理、锻造及加热过程缺陷、材料流动性差、锻造操作失误等问题都可能导致锻件局部加工余量不足，如果锻件报废则损失巨大，因此采用什么方法对锻件进行局部修复也是对工艺及操作人员的巨大考验。锻件修复的主要问题包括：1)锻件大部分位置尺寸及组织已经到位，不能继续大变形量锻造，如果采用高温加热的话，会增加锻件火耗和导致晶粒粗大，因此只能采取低温短时间加热或局部加热，尽量减少对锻件其它部位的影响；2)对锻件进行低温短时间或局部加热的情况下，加热时间及效果难以预测；3)低温及不均匀的温度场导致材料变形不同于高温情况，变形过程中金属是否会向加工余量不足部位流动难以预测；4)锻件局部加工余量不足的情况常为突发事件且位置随机性大，由于时间紧迫及单次使用，修复所需工具尽量不专门设计，多为通用工具或已有工具；5)锻件修复的实质是将加工余量不足区域周边的金属通过一定方式流动到加工余量不足区域，由于锻件整体余量有限，应尽量一次修复成功，因此对返修方案要求高。数值模拟分析方法可以对多种修复方案进行对比，通过对比不同方案的优缺点，激发工艺制定人员对修复方案不断优化，确定加热方法、加热温度与时间、工具摆放、下压量的控制等具体修复参数，最终得到最优的修复方案。

如果锻造模拟软件要在大型锻件制造过程中发挥更大的作用，相关软件必须进行相应的优化。例如：1)减少自由锻数值模拟设置过程，增加相应的模块；2)提高计算速度；3)提供夹渣缺陷跟踪、铸态组织状态、空洞闭合情况等大型锻件成形领域关心的变量信息；4)增强凝固、锻造、热处理以及性能模拟之间的联系，实现大型锻件生产的全流程分析。一些软件还针对自由锻的一些特殊过程开发了相应的模块。如deform软件具有很强的热处理模拟模块，可以实现锻造及热处理过程的模拟。simufact软件具有专门的拔长、马杠扩孔、展平等模块，大大简化了数值模拟分析的操作过程。forging软件实现了大型钢锭凝固过程与锻造过程的衔接，铸锭相关信息可以在锻造过程模拟中进行分析。

3 实际案例分析

某大型水轮机主轴由180 t钢锭多火次锻造成形，其结构如图1所示。在生产过程中发现该锻件距离内法兰2 000 mm处外直径小于设计要求大约60 mm，而锻件总体长度有较大富余量(大约500 mm)，因此技术人员希望通过锻件整体镦粗来增大缺陷处直径。在锻件修复过程中，加热温度和锻件温度分布直接影响锻件修复效果，修复过程要求缺肉部分直径增加至设计要求50 mm以上(图2中①处)，而相邻缺肉部分的台阶加工余量在20 mm以上(图2中②+③处)。由于锻件在出成品火次才发现局部缺肉现象，所以余量非常有限，必须一次性成功，因此采用数值模拟分析方法对锻件修复中不同加热温度和保温方式的7种方案(表1)进行对比分析，希望找到最佳的修复方案，一次修复成功。

图1 主轴锻件示意图Figure 1 Schematic drawing of spindle forging

图2 各部位余量示意图Figure2 Schematic drawing of allowances of every part

表1 修复方案Table 1 Repair program

通过对比图2和图3中各部位的余量可知：在压下过程中，①部位的余量随压下量的增加而增加，②+③部位的余量随压下量的增加而减少。在凸台部位包裹石棉以后，①部位和②+③部位余量增加明显，因此凸台包裹石棉的措施是十分必要的。由方案2、方案3和方案4比较可知，延长中温保温时间对修复效果影响不大。由方案5、方案6和方案7比较可知，提高高温温度，减少高温时间，可得到较好的修复效果。综上所述，方案5为最佳方案。

采用方案5为基础对该主轴进行了修复。生产结果证明，修复工艺比较合理，修复后锻件尺寸以及余量分布达到设计要求，锻件变形情况与模拟结果比较吻合，修复成功。

4 结束语

与国外大型自由锻件领域的发展相比，国内生产企业多、配套水平差、技术水平低，最终导致低端产品产能过剩引发恶性竞争，而高端产品由于前期投入有限、不掌握核心技术、质量稳定性差，缺乏竞争力。

图3 方案2～7不同压下量1～3处加工余量图Figure 3 Machining allowances at positions No. 1～3 under different screw down amounts in schemes No.2～7

目前，国内大型自由锻件生产企业及高校均购买了先进的商业数值模拟分析软件，其相关设计人员也完全具备独立使用软件的能力，可以说在这两方面我们与国外的水平是一致，但在软件的应用程度上与国外尚有明显的差距，这主要是由于：1)数值模拟工作与实际生产过程结合不够紧密，存在研究与生产脱节的问题；2)材料性能基础数据和生产过程数据采集不足，数值模拟基本参数无法确定；3)实际生产过程不规范，数值模拟分析很难与实际情况一致。

事实证明，数值模拟分析方法对确定大型自由锻件生产的全流程工艺方案，包括大型钢锭的冶炼、锻造及热处理等环节都具有很强的辅助功能，是提高锻件质量、提升企业生产水平、增强国际竞争力的重要手段。采用数值模拟技术提升大型锻件生产企业的科研实力需要一个长期过程，需要产品设计人员长期的摸索，同时生产过程的规范化也是数值模拟技术广泛应用的前提。

[1] 张效迅.大锻件锻造成形过程中内部空洞型缺陷演化规律的研究.上海交通大学工学博士学位论文，2009.

编辑 杜青泉

Application of Numerical Simulation Technology in Manufacturing of Large Free Forging

MenZhengxing,FangXing

The numerical simulation analysis method is summarized for large free forging, and the main function and inadequacy of numerical simulation technology are analyzed for large free forging forming. The practical application of numerical simulation analysis in free forging forming is indicated according to the repair process of large hydroelectric spindle.

numerical simulation; large free forging; manufacturing process

2013—12—24

O242.1

A