718合金轴类锻件径向锻造工艺模拟

工程科学学报，第37卷，第1期：6469,2015年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.1:64-69,January 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.01.010:http://journals..ustb.edu.cn 718合金轴类锻件径向锻造工艺模拟 刘玉庆，王开坤四，王磊 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:kkwang(@mater.usth.edu.cn 摘要利用Frg©模拟软件对718高温合金在径向锻造过程中温度场、等效塑性应变场、最高温度变化和散热情况进行了 研究.在第一道次，坯料升温集中在表面至距离心部12半径处：第二道次后心部成为温度最高部位，且心部温度较之前趋于 均匀，心部温度最终比初始温度升高约45℃：坯料最高温度在径向锻造过程中先升高而后略微降低：在所有散热形式中，热 辐射是坯料散热的主要方式：对等效塑性应变的模拟发现，坯料在第二道次锻造后已被锻透.现场取样观察与模拟结果对比 显示，模拟结果具有可信性 关键词高温合金：轴类件：锻造：有限元法：数值模拟 分类号TG316.3 Finite element simulation of the forging process of an INCONEL718 superalloy shaft LIU Yu-qing,WANG Kai-kun,WANG Lei School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:kkwang@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT The temperature field,the equivalent plastic strain field,the highest temperature and the cooling problem of INCONEL718 superalloy in radial forging were studied with Forge simulation software.In the first pass,temperature rising is focused on the surface to the half radial distance area.After the second pass,the billet core is the highest temperature area,and the tempera- ture becomes more uniform than before,even if 45C higher than the initial.The highest temperature of the billet during radial forging rises firstly and then falls slightly.Thermal radiation is the main cooling mode in all of the cooling methods.The simulation result of equivalent plastic strain indicates that the billet has been forged through after the second pass.At last,a comparison with sample observations shows that the simulation results are reliable. KEY WORDS superalloys:shafts;forging:finite element method:numerical simulation 在锻造生产过程中，很多情况下需要锻造变断面次，每次变形量很小，因此金属变形速度低，流动路线 或等断面的实心轴类或空心管类锻件，一般的锻造设 短，摩擦阻力小，变形均匀，设备动力消耗少田 备不易锻出表面形状复杂的轴，而且生产率低，劳动强INCONEL718合金是含铌、钼的沉淀硬化型镍铁基高温 度大，材料利用率不高，锻件尺寸精度低，表面粗糙度 合金，其微观结构为奥氏体组织，具有优良的综合性 大等四.径向锻造作为一种特殊的锻造工艺，不仅适 能，718合金在700℃仍具有高强度、良好的韧性以及 用于各种管类的线膛成形，对钛、钨合金等难变形材料 耐腐蚀性能，是应用最为广泛的高温合金之一5 也具有独到优势2-.径向锻造具有效率高、变形温降 利用数值模拟方法，可方便地确定塑性成形过程 小、表面变形充分等优点，以及脉冲锻打和多向模锻的 各个阶段所需的变形功和载荷，获得工件的内部应力、 特点.由于脉冲锻打频率高，一般为每分钟180~1800 应变、温度分布和金属流动规律切，预测工件的成形状 收稿日期：2013-09-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174028)

工程科学学报，第 37 卷，第 1 期: 64--69，2015 年 1 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 1: 64--69，January 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 01． 010; http: / /journals． ustb． edu． cn 718 合金轴类锻件径向锻造工艺模拟 刘玉庆，王开坤，王 磊 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: kkwang@ mater． ustb． edu． cn 摘 要 利用 Forge 模拟软件对 718 高温合金在径向锻造过程中温度场、等效塑性应变场、最高温度变化和散热情况进行了 研究． 在第一道次，坯料升温集中在表面至距离心部 1 /2 半径处; 第二道次后心部成为温度最高部位，且心部温度较之前趋于 均匀，心部温度最终比初始温度升高约 45 ℃ ; 坯料最高温度在径向锻造过程中先升高而后略微降低; 在所有散热形式中，热 辐射是坯料散热的主要方式; 对等效塑性应变的模拟发现，坯料在第二道次锻造后已被锻透． 现场取样观察与模拟结果对比 显示，模拟结果具有可信性． 关键词 高温合金; 轴类件; 锻造; 有限元法; 数值模拟 分类号 TG 316. 3 Finite element simulation of the forging process of an INCONEL718 superalloy shaft LIU Yu-qing，WANG Kai-kun ，WANG Lei School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: kkwang@ mater． ustb． edu． cn ABSTＲACT The temperature field，the equivalent plastic strain field，the highest temperature and the cooling problem of INCONEL718 superalloy in radial forging were studied with Forge simulation software． In the first pass，temperature rising is focused on the surface to the half radial distance area． After the second pass，the billet core is the highest temperature area，and the tempera￾ture becomes more uniform than before，even if 45 ℃ higher than the initial． The highest temperature of the billet during radial forging rises firstly and then falls slightly． Thermal radiation is the main cooling mode in all of the cooling methods． The simulation result of equivalent plastic strain indicates that the billet has been forged through after the second pass． At last，a comparison with sample observations shows that the simulation results are reliable． KEY WOＲDS superalloys; shafts; forging; finite element method; numerical simulation 收稿日期: 2013--09--20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51174028) 在锻造生产过程中，很多情况下需要锻造变断面 或等断面的实心轴类或空心管类锻件，一般的锻造设 备不易锻出表面形状复杂的轴，而且生产率低，劳动强 度大，材料利用率不高，锻件尺寸精度低，表面粗糙度 大等［1］． 径向锻造作为一种特殊的锻造工艺，不仅适 用于各种管类的线膛成形，对钛、钨合金等难变形材料 也具有独到优势［2--3］． 径向锻造具有效率高、变形温降 小、表面变形充分等优点，以及脉冲锻打和多向模锻的 特点． 由于脉冲锻打频率高，一般为每分钟 180 ～ 1800 次，每次变形量很小，因此金属变形速度低，流动路线 短，摩 擦 阻 力 小，变 形 均 匀，设 备 动 力 消 耗 少［4］． INCONEL718合金是含铌、钼的沉淀硬化型镍铁基高温 合金，其微观结构为奥氏体组织，具有优良的综合性 能，718 合金在 700 ℃ 仍具有高强度、良好的韧性以及 耐腐蚀性能，是应用最为广泛的高温合金之一［5--6］． 利用数值模拟方法，可方便地确定塑性成形过程 各个阶段所需的变形功和载荷，获得工件的内部应力、 应变、温度分布和金属流动规律［7］，预测工件的成形状

刘玉庆等：718合金轴类锻件径向锻造工艺模拟 ·65* 况、缺陷、晶粒的大小和取向分布圆，为锻造成形过程 算锻造过程中摩擦及产热情况，设定摩擦力正比于法 的模拟和优化设计提供了强有力的工具回.用数值模 向载荷.其他模拟式设置的参数如表1所示.模拟中 拟技术来实现对锻造成形过程设计的验证，可充分了 没有观察到网格畸变.模具的剖面尺寸图如图2所 解锻造成形过程各个局部和阶段的变形情况，大大减 示.模具第一夹角为5°，第二夹角为15.坯料采 少模具设计和开发的成本，减少试错用设备，提高工具 用尺寸为300mm×800mm的圆柱形坯料，锻造比为 寿命，改善锻件质量，并且增强对缺陷形成现象的解释 2.3:1. 能力0.本文对718合金在径向锻造过程中温度以及 锤头运动方向 应变等进行了模拟和分析，对实际生产具有一定 机械手轴向 意义 进给 锻件 1参数设置 本次模拟使用的Forge软件是由法国材料成形研 旋转进给 机械于 究中心(CEMEF)研究开发.基于有限元的Forg软件 锤头运动方向 被广泛应用于热锻、温锻和冷锻金属的成形工艺过程 图1径向锻造示意图 如图1所示，径向锻造的主要工艺参数有锻件转速、轴 Fig.1 Radial forging model 向进给速度、径向进给速度、径向压下量、变形程度和 5 100 锻造温度等2-围.按照工厂实际情况，轴向进给速度 为2~4m'min1;径向压下量为15~50mm,因为718 合金属于高温合金，所以压下量取中下限；由于径向锻 造属于高频率打击，在Foge模拟软件中设置坯料与 模具的热交换为弱交换，在实际生产中坯料与模具之 间一般不采取润滑，但为保护锤头寿命，会在锻造中根 260 据情况采取水冷方式保护模具及锤头连接部分，设定 图2模具尺寸（单位：mm) 摩擦条件为无润滑摩擦.运用库伦摩擦模型来计 Fig.2 Dimensions of the die (unit:mm) 表1参数设置 Table 1 Parameter setting 参数 数值 参数 数值 每次轴向进给长度/mm 20 第一、二和三道次单元大小/mm 15,14,14 压下量/mm 20,18,15 第一、二和三道次单元总数 28963,40579,48864 每次锻件旋转角度/() 15 传热系数（与模具）/(Wm2-K) 2.0×103 锻造次数 40,68,113 传热系数（与空气）/(Wm2·K1) 10 模具初始温度/℃ 300 摩擦系数 0.4 坯料初始温度/℃ 1000 热辐射系数 0.88 网格重划周期/mm 20 锤头速度/(mm·sl) 60 模拟采用的718合金在不同温度以及不同应变速 NCONEL718合金再结晶温度为727℃，但是只有当变 率条件下的应力应变曲线如图3所示.从图中可以看 形温度超过850℃之后，再结晶才能产生明显效果. 出：在应变速率为0.01s时，温度超过850℃后，在真 也就是说，在径向锻造过程中，坯料的终锻温度应不低 应变超过0.8后，材料的回复与再结晶的软化效果超 于850℃. 过加工硬化效果，此时流变应力为575MPa:应变速率 2 模拟结果及分析 为0.1s时，应变温度为950℃时，真应变为0.3时， 动态回复与再结晶效果超越加工硬化效果，材料的流2.1温度模拟 变应力379MPa;应变速率为1s、变形温度超过 模拟所得三个道次结束后的温度场如图4所示 1000℃以及应变速率为10s'、变形温度超过1050℃ 分析图4(a)可知，温度升高幅度最大的部位在表面至 时，这种效果才会出现，此时二者的流变应力值分别为 距离心部R/2之间，R为锻件的半径，平均升温幅度在 357MPa和346MPa.通过上述分析可知，虽然 15℃，其中部分区域升温幅度达到了30℃，心部并没

刘玉庆等: 718 合金轴类锻件径向锻造工艺模拟 况、缺陷、晶粒的大小和取向分布［8］，为锻造成形过程 的模拟和优化设计提供了强有力的工具［9］． 用数值模 拟技术来实现对锻造成形过程设计的验证，可充分了 解锻造成形过程各个局部和阶段的变形情况，大大减 少模具设计和开发的成本，减少试错用设备，提高工具 寿命，改善锻件质量，并且增强对缺陷形成现象的解释 能力［10］． 本文对 718 合金在径向锻造过程中温度以及 应变等进行了模拟和分析［11］，对实际生产具有一定 意义． 1 参数设置 本次模拟使用的 Forge 软件是由法国材料成形研 究中心( CEMEF) 研究开发． 基于有限元的 Forge 软件 被广泛应用于热锻、温锻和冷锻金属的成形工艺过程． 如图 1 所示，径向锻造的主要工艺参数有锻件转速、轴 向进给速度、径向进给速度、径向压下量、变形程度和 锻造温度等［12--13］． 按照工厂实际情况，轴向进给速度 为 2 ～ 4 m·min － 1 ; 径向压下量为 15 ～ 50 mm，因为 718 合金属于高温合金，所以压下量取中下限; 由于径向锻 造属于高频率打击，在 Forge 模拟软件中设置坯料与 模具的热交换为弱交换，在实际生产中坯料与模具之 间一般不采取润滑，但为保护锤头寿命，会在锻造中根 据情况采取水冷方式保护模具及锤头连接部分，设定 摩擦条件为无润滑摩擦［14］． 运用库伦摩擦模型来计 算锻造过程中摩擦及产热情况，设定摩擦力正比于法 向载荷． 其他模拟式设置的参数如表 1 所示． 模拟中 没有观察到网格畸变． 模具的剖面尺寸图如图 2 所 示． 模具第一夹角为 5°，第二夹角为 15°［15］． 坯料采 用尺寸为 300 mm × 800 mm 的圆柱形坯料，锻造比为 2. 3∶ 1． 图 1 径向锻造示意图 Fig． 1 Ｒadial forging model 图 2 模具尺寸( 单位: mm) Fig． 2 Dimensions of the die ( unit: mm) 表 1 参数设置 Table 1 Parameter setting 参数 数值 每次轴向进给长度/mm 20 压下量/mm 20，18，15 每次锻件旋转角度/( °) 15 锻造次数 40，68，113 模具初始温度/℃ 300 坯料初始温度/℃ 1000 网格重划周期/mm 20 参数 数值 第一、二和三道次单元大小/mm 15，14，14 第一、二和三道次单元总数 28963，40579，48864 传热系数( 与模具) /( W·m － 2·K － 1 ) 2. 0 × 103 传热系数( 与空气) /( W·m － 2·K － 1 ) 10 摩擦系数 0. 4 热辐射系数 0. 88 锤头速度/( mm·s － 1 ) 60 模拟采用的 718 合金在不同温度以及不同应变速 率条件下的应力应变曲线如图 3 所示． 从图中可以看 出: 在应变速率为 0. 01 s － 1时，温度超过 850 ℃后，在真 应变超过 0. 8 后，材料的回复与再结晶的软化效果超 过加工硬化效果，此时流变应力为 575 MPa; 应变速率 为 0. 1 s － 1时，应变温度为 950 ℃ 时，真应变为 0. 3 时， 动态回复与再结晶效果超越加工硬化效果，材料的流 变应 力 379 MPa; 应 变 速 率 为 1 s － 1、变 形 温 度 超 过 1000 ℃以及应变速率为 10 s － 1、变形温度超过 1050 ℃ 时，这种效果才会出现，此时二者的流变应力值分别为 357 MPa 和 346 MPa． 通 过 上 述 分 析 可 知，虽 然 INCONEL718合金再结晶温度为 727 ℃，但是只有当变 形温度超过 850 ℃ 之后，再结晶才能产生明显效果． 也就是说，在径向锻造过程中，坯料的终锻温度应不低 于 850 ℃ ． 2 模拟结果及分析 2. 1 温度模拟 模拟所得三个道次结束后的温度场如图 4 所示． 分析图 4( a) 可知，温度升高幅度最大的部位在表面至 距离心部 Ｒ/2 之间，Ｒ 为锻件的半径，平均升温幅度在 15 ℃，其中部分区域升温幅度达到了 30 ℃，心部并没 · 56 ·

66· 工程科学学报，第37卷，第1期 900f 900F (a b 900F (e) 750 750 750 600 600 600 。-0.01s- 450 450 450 300 0.01s1 300 -0.01s-4 300 -10s 。-0.1s- 0.1s 150 150 150 -10s 2 4 应变 应变 应变 600f(d 600 (c) 600 -0.01s1 -0.01s4 -。-01g- -0.1s 500 -0.015 500 1s 450 4】 -0.1g1 10s 400 400 -10s- 10s 300 300 300 200 150 100 100 2 0 2 应变 应变 应变 300 (g 。-0.015 300 300 问 0.01s-1 -0.01s-1 250 250 -0.141 250 。-0.1s4 41.1 10s1 200 200 10s dW/ 200 10s 150 150 150 100 100 100 50 应变 应变 应变 图3NC0NEL718合金真应力-真应变曲线.(a)800℃：(b)850℃：(c)900℃：(d)950℃：(e)1000℃：(f)1050℃：(g)1100℃：(h) 1150℃：(i)1200℃ Fig.3 True stress-rue strain curves of INC0NEL718 superalloy:(a)800℃；(b)850℃：(c)900℃：(d)950℃：(e)1000℃：(01050℃； (g)1100℃；(h)1150℃：(i)1200℃ 有观察到明显的升温现象，坯料表面最低温度为 端部成为坯料温度最低部分，这与端部散热面积大以 963℃；分析图4()可知，第二道次径向锻造结束后， 及端部应变情况是密不可分的 心部发生明显的升温现象，升温幅度达到30℃，在坯 2.2最高温度曲线分析 料内部部分区域出现升温幅度达到50℃的区域，坯料 图5所示为径向锻造过程中坯料最高温度变化曲 表面最低温度为960℃：分析图4(c)可知，径向锻造 线.从图中可以看出，在径向锻造过程中，坯料的最高 结束后，坯料内部温度趋于均匀，除了两端的端部凹坑 温度不断升高而后达到峰值，之后略微下降.第一道 区域，平均升温幅度在45℃左右，坯料表面最低温度 次径向锻造过程中升温最大达到36℃，而后维持在 约为930℃，坯料表面平均温度约为985℃.很明显， 1033℃左右：第二道次锻造过程中升温幅度最高达到 在第一道次锻造的时候，坯料心部只是发生轻微应变， 55℃，之后最高温度维持在1050℃左右：在第三道次 形变部位集中在表面至距离心部R/2之间，形变产生 径向锻造过程中升温最大达到65℃，之后维持在 的能量导致该区域温度的显著升高，在坯料表面热量 1055℃左右.在径向锻造第二和第三道次的初始阶段 通过热辐射以及与模具热交换等方式散发出去：坯料 最高温度会产生下降，这一现象的产生是径向锻造前 在经过第二道次锻造后，心部已经发生明显的应变，形 等待时间以及坯料端部在锻造初始形变相比较于其他 变产生的热量在坯料内部积累，导致心部温度产生显 部位小而产热不足共同作用的结果.设坯料初始半径 著的升温现象；坯料在第三道次锻造后，形变继续发 为，长度为h,径向锻造后的坯料半径为2，长度为 生，产生的热量继续在坯料内部积累，坯料内部温度趋 2,假设径向锻造过程中坯料体积不变，即 于均匀，且相比较于前两个道次升温都要大得多：坯料 Trih Tr3ha, (1)

工程科学学报，第 37 卷，第 1 期 图 3 INCONEL718 合金真应力--真应变曲线． ( a) 800 ℃ ; ( b) 850 ℃ ; ( c) 900 ℃ ; ( d) 950 ℃ ; ( e) 1000 ℃ ; ( f) 1050 ℃ ; ( g) 1100 ℃ ; ( h) 1150 ℃ ; ( i) 1200 ℃ Fig． 3 True stress-true strain curves of INCONEL718 superalloy: ( a) 800 ℃ ; ( b) 850 ℃ ; ( c) 900 ℃ ; ( d) 950 ℃ ; ( e) 1000 ℃ ; ( f) 1050 ℃ ; ( g) 1100 ℃ ; ( h) 1150 ℃ ; ( i) 1200 ℃ 有观察 到 明 显 的 升 温 现 象，坯 料 表 面 最 低 温 度 为 963 ℃ ; 分析图 4( b) 可知，第二道次径向锻造结束后， 心部发生明显的升温现象，升温幅度达到 30 ℃，在坯 料内部部分区域出现升温幅度达到 50 ℃ 的区域，坯料 表面最低温度为 960 ℃ ; 分析图 4( c) 可知，径向锻造 结束后，坯料内部温度趋于均匀，除了两端的端部凹坑 区域，平均升温幅度在 45 ℃ 左右，坯料表面最低温度 约为 930 ℃，坯料表面平均温度约为 985 ℃ ． 很明显， 在第一道次锻造的时候，坯料心部只是发生轻微应变， 形变部位集中在表面至距离心部 Ｒ/2 之间，形变产生 的能量导致该区域温度的显著升高，在坯料表面热量 通过热辐射以及与模具热交换等方式散发出去; 坯料 在经过第二道次锻造后，心部已经发生明显的应变，形 变产生的热量在坯料内部积累，导致心部温度产生显 著的升温现象; 坯料在第三道次锻造后，形变继续发 生，产生的热量继续在坯料内部积累，坯料内部温度趋 于均匀，且相比较于前两个道次升温都要大得多; 坯料 端部成为坯料温度最低部分，这与端部散热面积大以 及端部应变情况是密不可分的． 2. 2 最高温度曲线分析 图 5 所示为径向锻造过程中坯料最高温度变化曲 线． 从图中可以看出，在径向锻造过程中，坯料的最高 温度不断升高而后达到峰值，之后略微下降． 第一道 次径向锻造过程中升温最大达到 36 ℃，而后维持在 1033 ℃ 左右; 第二道次锻造过程中升温幅度最高达到 55 ℃，之后最高温度维持在 1050 ℃ 左右; 在第三道次 径向锻 造 过 程 中 升 温 最 大 达 到 65 ℃，之 后 维 持 在 1055 ℃左右． 在径向锻造第二和第三道次的初始阶段 最高温度会产生下降，这一现象的产生是径向锻造前 等待时间以及坯料端部在锻造初始形变相比较于其他 部位小而产热不足共同作用的结果． 设坯料初始半径 为 r1，长度为 h1，径向锻造后的坯料半径为 r2，长度为 h2，假设径向锻造过程中坯料体积不变，即 πr 2 1 h1 = πr 2 2 h2， ( 1) · 66 ·

刘玉庆等：718合金轴类锻件径向锻造工艺模拟 ·67* 温度℃ 温度℃ 温度℃ 1031 1051 1057 991 992 971 948 920 942 c 图4锻造过程中合金的温度场.(a)第一道次：(b)第二道次：(c)第三道次 Fig.4 Temperature field of the alloy during the forging process:(a)the first pass:(b)the second pass:(c)the third pass 1035F (e) 1030 1050 1060 1025 1045 1055 1020 1015 1040 1050 1010 1035 1045 1005 1030 1040 100 1035h 0 20 4060 80100 20 4060 80100 0 20 4060 80100 时间⅓ 时间人 时间A 图5锻造过程中合金的最高温度变化曲线.(a)第一道次：(b)第二道次：(c)第三道次 Fig.5 The highest temperature curves of the alloy during the forging process:(a)the first pass;(b)the second pass:(c)the third pass 可以得到 时，最高温度曲线就会产生峰值之后的下降趋势. 2mrh_h=2<1, 2.3散热分析 (2) 2mh rh2 n 图6为径向锻造第一道次过程中坯料与各介质的 也就是说径向锻造过程中坯料散热面积不断增加.在 能量交换与摩擦产热变化曲线.曲线呈波浪形，这与 径向锻造过程中，当形变产生的热量小于散发的热量 径向锻造的脉冲锻打特性是分不开的.分析不难发 15f(间 b -105 20 -100 -115 10 -120 5 -125 0 1015 20 25 0 1015 20 时间/s 时间/s (c) d 三 -8.0 0 85 -40 -60 9.0 -80 1015 20 1015 20 时间/s 时间s 图6锻造过程中合金的能量交换曲线.(a)摩擦产热：(b)热辐射：(c)与空气热交换：(d)与模具的热交换 Fig.6 Energy exchange curves of the alloy during the forging process:(a)friction heat:(b)thermal radiation:(c)heat exchange with air:(d) heat exchange with the die

刘玉庆等: 718 合金轴类锻件径向锻造工艺模拟 图 4 锻造过程中合金的温度场． ( a) 第一道次; ( b) 第二道次; ( c) 第三道次 Fig． 4 Temperature field of the alloy during the forging process: ( a) the first pass; ( b) the second pass; ( c) the third pass 图 5 锻造过程中合金的最高温度变化曲线． ( a) 第一道次; ( b) 第二道次; ( c) 第三道次 Fig． 5 The highest temperature curves of the alloy during the forging process: ( a) the first pass; ( b) the second pass; ( c) the third pass 可以得到 图 6 锻造过程中合金的能量交换曲线． ( a) 摩擦产热; ( b) 热辐射; ( c) 与空气热交换; ( d) 与模具的热交换 Fig． 6 Energy exchange curves of the alloy during the forging process: ( a) friction heat; ( b) thermal radiation; ( c) heat exchange with air; ( d) heat exchange with the die 2πr1 h1 2πr2 h1 = r1 h1 r2 h2 = r2 r1 ＜ 1， ( 2) 也就是说径向锻造过程中坯料散热面积不断增加． 在 径向锻造过程中，当形变产生的热量小于散发的热量 时，最高温度曲线就会产生峰值之后的下降趋势． 2. 3 散热分析 图 6 为径向锻造第一道次过程中坯料与各介质的 能量交换与摩擦产热变化曲线． 曲线呈波浪形，这与 径向锻造的脉冲锻打特性是分不开的． 分析不难发 · 76 ·

68* 工程科学学报，第37卷，第1期 现，热辐射以及坯料与空气的热交换随着坯料表面积 坯料表面部分发生初始变形，心部只是发生了轻微形 的增大而不断增大，而摩擦产生能量以及坯料与模具 变.同理，分析图7(b)和(c),可以发现经过后面两个 之间的热交换在径向锻造过边中变化不大.能量的散 道次的径向锻造之后，坯料心部最低等效塑性应变达 失主要形式是热辐射以及坯料与模具之间热交换，坯 到0.59和1.09，比较图7(a),等效塑性应变为0.59 料与空气之间通过对流散失热量只占总体能量流失很 的部位处在表面至距离心部R/2之间，可以断定心部 小部分，基本可以忽略不计，而摩擦产生的能量相比较 已被锻透.同时通过图7(a)、(b)和(c)可以观测到坯 与坯料与模具之间的热交换以及热辐射要小得多. 料端部在锻造过程中总是发生应变最低部位，是由于 2.4等效塑性应变分析 端部处于一种双向而不是三向压应力状态，这也是端 径向锻造过程中三个道次结束时坯料的应变分布 部温度最低的一个重要原因.分析图7(d)可知，坯料 以及径向锻造过程中最大应变变化曲线如图7所示 在径向锻造过程中的最大应变随锻造过程进行不断增 结合图4分析图7(a)可知，在第一道次径向锻造后， 加而后到达一个平稳状态几乎不再变化 等效塑性应变 等效塑性应变 等效塑性应变 1.75 3.21 4.59 4.5 4.0 ·第一道次 第二道次 3.5 一第三道次 3.0 1,10 2.05 3.04 0.61 1.17 .87 1.0 0.5 6 10 0.12 0.30 0.71 步数 (a) 名 (d) 图7锻造过程中合金的应变分布.(a)第一道次：(b)第二道次：()第三道次：(d)最大应变变化曲线 Fig.7 Equivalent plastic strain distribution of the alloy during the forging process:(a)the fist pass:(b)the second pass;(c)the third pass:(d) maximum strain curves 2.5与实际结果对比 实际生产中测量到坯料终锻温度在950℃左右， 模拟的最终结果约为985℃，误差为3.68%. 图8为通过径向锻造获得产品的低倍组织.坯料 心部位出现明显的流线，应变已经深入到坯料心部，这 也就是说，经过径向锻造后，坯料心部已被锻透，这与 本文应变分析的结果具有一致性.另外，大量横向低 倍组织监测表明，当锻造比超过2以后，轴类锻件心部 疏松可以达到0.5~1.0级以下，获得的产品组织均匀 致密，这与径向锻造过程中坯料温度以及应变的均匀 9 分布是分不开的 图8径向锻造获得产品均匀低倍组织 3结论 Fig.8 Macroscopic structure of a radial forging product (1)径向锻造过程中，第一及第二道次中升温集 模具之间的热交换在径向锻造过边中变化不大 中在坯料表面至距离心部R/2之间坯料内部温度，比 (3)径向锻造过程中，坯料心部在第一道次只是 初始温度升高30℃左右，最终坯料心部温度趋于均 发生轻微变形，经过第二道次已经锻透.坯料的最大 匀，温度比初始温度升高45℃左右.坯料最高温度出 应变遵循先升高而后趋于稳定的规律 现在坯料心部，坯料最高温度遵循先升高而后稍微降 (4)将实际测量温度与模拟结果进行对比，误差 低的规律. 为3.68%.另外，坯料终锻最低温度为930℃大于 (2)热辐射以及坯料与空气的热交换随着坯料表 850℃.通过观察径向锻造加工产品低倍组织图可以 面积的增大而不断增大，而摩擦产生能量以及坯料与 观察到坯料已被锻透，组织均匀致密，这与模拟结果具

工程科学学报，第 37 卷，第 1 期 现，热辐射以及坯料与空气的热交换随着坯料表面积 的增大而不断增大，而摩擦产生能量以及坯料与模具 之间的热交换在径向锻造过边中变化不大． 能量的散 失主要形式是热辐射以及坯料与模具之间热交换，坯 料与空气之间通过对流散失热量只占总体能量流失很 小部分，基本可以忽略不计，而摩擦产生的能量相比较 与坯料与模具之间的热交换以及热辐射要小得多． 2. 4 等效塑性应变分析 径向锻造过程中三个道次结束时坯料的应变分布 以及径向锻造过程中最大应变变化曲线如图 7 所示． 结合图 4 分析图 7( a) 可知，在第一道次径向锻造后， 坯料表面部分发生初始变形，心部只是发生了轻微形 变． 同理，分析图 7( b) 和( c) ，可以发现经过后面两个 道次的径向锻造之后，坯料心部最低等效塑性应变达 到 0. 59 和 1. 09，比较图 7 ( a) ，等效塑性应变为 0. 59 的部位处在表面至距离心部 Ｒ /2 之间，可以断定心部 已被锻透． 同时通过图 7( a) 、( b) 和( c) 可以观测到坯 料端部在锻造过程中总是发生应变最低部位，是由于 端部处于一种双向而不是三向压应力状态，这也是端 部温度最低的一个重要原因． 分析图 7( d) 可知，坯料 在径向锻造过程中的最大应变随锻造过程进行不断增 加而后到达一个平稳状态几乎不再变化． 图 7 锻造过程中合金的应变分布． ( a) 第一道次; ( b) 第二道次; ( c) 第三道次; ( d) 最大应变变化曲线 Fig． 7 Equivalent plastic strain distribution of the alloy during the forging process: ( a) the fist pass; ( b) the second pass; ( c) the third pass; ( d) maximum strain curves 2. 5 与实际结果对比 实际生产中测量到坯料终锻温度在 950 ℃ 左右， 模拟的最终结果约为 985 ℃，误差为 3. 68% ． 图 8 为通过径向锻造获得产品的低倍组织． 坯料 心部位出现明显的流线，应变已经深入到坯料心部，这 也就是说，经过径向锻造后，坯料心部已被锻透，这与 本文应变分析的结果具有一致性． 另外，大量横向低 倍组织监测表明，当锻造比超过 2 以后，轴类锻件心部 疏松可以达到 0. 5 ～ 1. 0 级以下，获得的产品组织均匀 致密，这与径向锻造过程中坯料温度以及应变的均匀 分布是分不开的． 3 结论 ( 1) 径向锻造过程中，第一及第二道次中升温集 中在坯料表面至距离心部 Ｒ/2 之间坯料内部温度，比 初始温度升高 30 ℃ 左右，最终坯料心部温度趋于均 匀，温度比初始温度升高 45 ℃ 左右． 坯料最高温度出 现在坯料心部，坯料最高温度遵循先升高而后稍微降 低的规律． ( 2) 热辐射以及坯料与空气的热交换随着坯料表 面积的增大而不断增大，而摩擦产生能量以及坯料与 图 8 径向锻造获得产品均匀低倍组织 Fig． 8 Macroscopic structure of a radial forging product 模具之间的热交换在径向锻造过边中变化不大． ( 3) 径向锻造过程中，坯料心部在第一道次只是 发生轻微变形，经过第二道次已经锻透． 坯料的最大 应变遵循先升高而后趋于稳定的规律． ( 4) 将实际测量温度与模拟结果进行对比，误差 为 3. 68% ． 另 外，坯 料 终 锻 最 低 温 度 为 930 ℃ 大 于 850 ℃ ． 通过观察径向锻造加工产品低倍组织图可以 观察到坯料已被锻透，组织均匀致密，这与模拟结果具 · 86 ·