过渡圆角半径对锻锤热力耦合的影响

任中立 郭蔚琦 余念 但斌斌 容芷君 刘宗锴

（1：中冶宝钢技术服务有限公司 上海200941；2：武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室 湖北武汉430081；3：武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室 湖北武汉430081）

1 前言

径向精锻机是奥地利GFM公司的专利设备，其原理是用四个沿圆周成90°间隔对称布置的锤头对金属材料进行高频锻打［1－2］。20世纪80年代我国开始引进该设备，并在21世纪初开始研发径向精锻机产品，但是目前产品有限且研发缓慢［3－4］。锻锤的破坏和更换问题严重影响实际使用与生产的连续性，其破坏部位最常见的是锻锤表面圆角结构。Abbas Ghaei、莫琛等［5－6］利用有限元方法，对径向锻造过程进行建模，考虑模具形状对锻件截面的影响，圆角处易出现应力集中情况，且对工件质量亦有影响。徐潇等［7］研究了热锻过程中锻锤的受力情况，发现模具圆角处容易出现最大的应力值，实际生产中有圆角处容易产生疲劳裂纹出现损伤。薛河等［8］研究了锻锤圆角半径对锤头受力影响，倒角半径增大则应力会减小，但倒角超过一定程度后，应力会直线上升。这些都推动了径向精锻机锻锤设计的发展。锻锤的整体设计越来越符合实际要求，但过渡圆角容易出现损伤的问题却一直未得到解决。所以将研究重点放在过渡圆角尺寸对锻锤受力受热方面，以改善其受力受热情况，完善锻锤设计。

锻锤出现损伤原因有两个：一是正面与侧面之间的过渡圆角处因形状变化，导致应力集中；二是在锻造的过程中，由于多次的撞击使锻锤圆角处出现疲劳损伤。本研究重点基于应力及温度场的锻锤表层过渡圆角半径的结构优化，以改善其受力受热情况，以便提高锻锤的锻造水平，降低制造成本，提高批量生产能力。

2 热力耦合有限元法

在锻造过程中，锻造发生非线性变形时伴随有温度的变化。由于温度变化对结构变形和材料的相关特性产生影响，同时热边界条件亦会随结构变形而有所改变，进而影响温度的变化，因而为了能准确分析锻锤锻造过程中的应力和温度变化，通常将温度场的求解和应力分析结合起来共同考虑。

在用更新的Lagrange方法描述的热弹塑性基础之上，与温度场相互耦合的非线性大变形热弹塑性分析的增量形式，其有限元可表示如下。对边界条件为S，体积为V的连续介质，其能量守恒方程可表示为

式中：vi－速度场；

ρ－质量密度；

U－给定内能；

¯Q－给定体积热流；

bi－给定体积力；

Pi－单位上的边界力；

H－边界S上的单位面积上的热流强度。

对体积为V，质量密度为ρ的连续介质，其力平衡方程的积分形式为：

式中：Pi－锻造压力；

ni－表面S的单位法线方向；

σij－柯西应力分量。

若将式（2），式（3）带入式（1），得到最终的热－力耦合的能量守恒方程为：

3 有限元模型及边界条件

3.1 热力耦合有限元模型

本文的研究为某型径向精锻机锻锤，其三维模型如图1所示。在有限元仿真软件的前处理中，根据热力耦合大变形弹塑性有限元法建立的锻锤与工件的有限元模型如图2所示。

图1 锻锤模型

图2 锻锤和工件有限元模型

3.2 边界条件

选取G520作为锻锤材料，选取Q235作为工件材料，材料特性如表1。施加约束和载荷时，尽量按照实际工况进行，这样才能保证计算结果更准确。结合生产实际生产加工情况，设置锻造深度为10mm、速度为20mm／s，为节省模拟计算时间，工件长度取320mm，直径200mm。工件两端施加固定约束，考虑工件与锻锤之间的摩擦，摩擦系数为0.3［9］，热传导系数为20kW／（m·℃）［10］。与外界环境的等效对流换热系数为0.02kW／（m·℃），热辐射率取0.8，热功转换系数相应取0.9，锻锤预热温度为300℃，工件预热温度为800℃。将网格尺寸设置为密网格，设置单元尺寸为4mm，不规则结构处采用四面体网格进行自由网格划分，其他地方用六面体网格，与工件接触处进行了网格细化，共有225783个单元，354248个节点。

表1 材料性能表

4 结果分析

实际工况表明，锻锤的过渡圆角附近是锻锤损伤的主要区域。而锻锤的过渡圆角尺寸对锻锤应力与温度情况有很大影响，本文对不同过渡圆角尺寸的锻锤附近温度、应力应变进行分析。

4.1 过渡圆角半径对锻锤温度影响

锻锤表面温度升高主要是源于锻锤表面与热坯料接触发生的热传导，坯料变形时沿表面滑移产生摩擦热效应也会导致锻锤近表层温度升高。为方便观察，取锻锤四分之一模型，如图3所示，为在弹塑性耦合锻造结束后锻锤的温度场分布图。锻造时，锻锤与工件接触的表面的温度在短时间内升高，温度场呈现梯度分布，热影响区域较小。温度变化主要发生在锻锤与高温工件接触的部位，锻造深度的增加，温度逐渐升高，锻造到10mm时，其最高温度为521℃。锻锤温度场的热渗透距离小，其他地方温度基本未变，其主要原因为锤锻工作速度快，锻锤每次与工件接触时间短，锻锤与工件发生热传导少，导致锻锤近表层热渗透距离小。

图3 温度分布

根据上述仿真条件可得到不同过渡圆角大小的锻锤表面温度数据，如图4所示，锻造到10mm深时，当锻锤表面过渡圆角半径在10mm～22mm之间时，锻锤表面温度呈下降趋势；当过渡圆角半径在22mm～35mm之间时，锻锤表面温度呈上升趋势。过渡圆角较小，影响锻锤表面与空气之间的对流散热，锻锤温度难以传导。过渡圆角半径增加，会增加锻锤与工件的传热和荷载传递。

图4 过渡圆角半径对温度的影响

4.2 过渡圆角半径对锻锤等效应力影响

如图5所示，锻锤的等效应力应变主要集中在锻锤过渡圆角周围及过渡圆角的交点处，并向四周扩散，最大等效应力为564MPa，最大等效应变为0.0039747。过渡圆角及过渡圆角交接处出现应力集中现象，原因为形状发生不连续变化或连续性较差时，会导致局部应力迅速增大的情况。较大过渡圆角，其弧形结构有着更为光滑的边缘，能够降低应力集中的程度。

图5 应力应变分布情况

图6为锻锤所受等效应力应变折线图，锻锤与工件刚开始接触时，其等效应力应变值快速增大，随着锻造深度增加，其等效应力减小，说明在沿指定路径上应力应变变化趋势越来越平稳，应力集中现象减小。过渡圆角半径增大，其等效应力应变逐渐减小。当在过渡圆角半径在10mm～30mm之间，过渡圆角半径越大对减小锻锤应力集中越有益。

图6 过渡圆角半径与应力和应变

5 结论

1）锻锤锻造时，锻锤与工件接触的表面为其主要温度升高处。

2）过渡圆角半径在10mm～22mm之间，锻锤表面温度呈下降趋势，过渡圆角半径增加将减小应力集中。过渡圆角半径在22mm～30mm之间，锻锤表面温度呈上升趋势，过渡圆角半径继续增加将增加传热和荷载传递。

3）锻锤锻造时，锻锤过渡圆角处容易出现应力集中，此处易出现损伤。

4）过渡圆角半径在10mm～30mm之间，锻锤表面过渡圆角半径越大，其等效应力和等效应变越小。