大型带法兰封头整锻成形工艺数值模拟

郭改丽 程巩固 安红萍 刘建生 向 伟

(1.太原科技大学大锻件技术研究所，山西030024；2.二重集团(德阳)重型装备股份有限公司，四川618013)

随着经济的发展，炼油、石化、煤化工核电等行业采用的压力容器呈现出大型化的发展趋势，特别是大直径、大壁厚的加氢反应器、煤液化反应器等的出现，对制造行业提出了新的课题[1]。封头是压力容器的主要承压部件，不仅其尺寸超大，而且形状也越来越复杂，大型带法兰封头就是其中典型一例。这种大型带法兰封头外径达5 m以上，壁厚为0.4 m，并且带有高厚法兰，其整锻成形对大型锻造装备及工艺都提出更高的要求。大型厚壁整体封头具有技术条件要求高、制造工艺难度大、工序复杂及生产周期长的特点[2]，与薄壁封头压制过程不同，薄壁封头主要考虑压制中产生鼓包、褶皱、拉裂等缺陷[3]，而厚薄封头压制时主要考虑壁厚变化和一些复杂部位的成形问题[4～6]。本文采用数值模拟方法对大型厚壁带法兰封头整锻成形工艺进行评价，并分析锻造过程中壁厚和高度等主要形状控制参数的变化规律，提出合理的锻造工艺方案，以指导实际生产。

1 工艺说明

在现有100 MN压机的锻造能力范围内，制定合理的工艺，锻造出带法兰封头。要求成形件壁厚均匀、合理，工艺流程短，可操作性强。坯料为一带钳把的圆柱体如图1a所示，大端尺寸为∅2 650 mm×4 200 mm，小端尺寸为∅1 300 mm×800 mm，总质量约200 t。拟定锻造工序为：大平板镦粗→半月砧展压→压制法兰。坯料经过各锻造工序后形状如图1所示。

a)坯料 b)镦粗 c)展压 d)压法兰图1 坯料锻造变形图Figure 1 The deformation drawing of forging block

2 数值模拟

2.1 平板镦粗工序模拟及分析

2.1.1 建模与参数设定

平板镦粗是在专用的下模腔内镦粗完成的。主要计算参数如下：坯料为2.25Cr1Mo0.25V钢，其材料模型由Gleeble-1500D热模拟试验机上压缩试验获得，如图2所示。坯料初始温度为1 200℃，与模具接触摩擦因子为0.3。上下模具设为刚性体，上模速度10 mm/s，单砧压下量150 mm。

2.1.2 模拟分析及镦粗方案的确定

平板镦粗变形特点是：平板与坯料接触下压，坯料金属下陷形成圆锥面，当此锥面与轴线的夹角呈70°时，坯料底端不再明显变形。随着平板继续下压，坯料与一般的平板镦粗相同，两端小变形，心部大变形，坯料沿径向外扩，慢慢出现鼓形并不断扩张，直至镦粗工序完成。

坯料尺寸太大，受压机吨位限制，平板镦粗不可能一次镦粗得太低。考虑两种镦粗方式并模拟以确定其对后续工艺的影响。方式一：平板镦粗至极限载荷附近。方式二：平板镦粗至一定高度后用长条砧继续旋转镦粗。图1为按方式一进行模拟得出的坯料变形图，图3为按方式二进行模拟得出的坯料变形图。

图2 2.25Cr1Mo0.25V钢高温应力-应变曲线Figure 2 The high temperature stress-strain curve of 2.25Cr1Mo0.25V steel

a)坯料 b)平板镦粗 c)条砧镦粗 d)半月砧展压 e)压法兰图3 坯料按镦粗方式二锻造变形图Figure 3 The deformation drawing of forging block according to the second upsetting way

比较图1和图3可知，方式一镦粗后形成鼓形坯，展压之后形成壁厚比较均匀的碗状坯，压法兰成形效果理想；而长条砧局部展压将会形成上端过分肥大，中部保持圆柱形的伞状坯。在后续展压工序中，伞状头部继续外展，并传到压法兰工序，使得最后成形的法兰外径过大，超出压机的工作空间。因此镦粗工序形成鼓形坯对后续成形是比较有利的。本模拟以下工序均是在镦粗至鼓形的基础上进行的。

2.2 半月砧展压工序模拟

2.2.1 展压方式及参数设定

平板镦粗结束后，用半月砧进行旋转展压。此过程实际操作是靠半月砧旋转来实现的[5]，半月砧旋转方法是使下模和坯料不动，只让半月砧做360°回转。这样可以避免过大的回转量，且容易对中。半月砧每下压一砧之后提起，旋转20°与坯料接触，下压另一砧。当半月砧旋转360°后，完成一圈下压变形。

2.2.2 变形特点

半月砧与坯料上表面局部接触下压，砧下金属在压力作用下向下运动，周边金属被挤开沿径向流动，半月砧展压第一圈，心部金属被挤向周边，使坯料金属略有升高。自第二圈起，坯料顶部金属均匀外扩，坯料高度降低。单砧下压，由于是局部变形，对中部和下部金属影响不大，坯料其余部分变形量很小。随着半月砧不断展压，坯料在镦粗工序中形成的原始鼓形轮廓线不断沿径向扩张，最后与下模相贴合，坯料高度不再下降，同时内径扩大，壁厚减薄。随着半月砧继续下压，坯料填满上下模间隙并被底部金属向上反挤，高度迅速增加，底部快速减薄，外径保持鼓形并略有增大，内径始终紧包半月砧。至展压结束，形成壁厚比较均匀，顶部内收的碗形坯。图4为半月砧展压过程中坯料剖面截图。

2.2.3 展压过程中壁厚展起高度变化规律

在封头的整形工艺中，展压工序坯料的变形量很大，各部分变形很剧烈。展压成形的几何坯形状直接决定最后压法兰工序的成败。如果壁厚过厚，会使材料消耗和后续机加工量增大，提高了制造成本；如果壁厚太薄，则无法保证封头加工尺寸。图5和图6分别表示封头壁厚和高度尺寸测量示意。如图5所示，以锻件球面圆心为基点，沿径向做射线将第四象限分成9等份，铅垂射线为0°，逆时针数每等份为10°。这些射线与每圈展压完成成形图的内外径相交，两交点之间的线段长度即为此角度上的壁厚。图6所示的展起高度是以下模上平面为基准，测量坯料每圈的展起的最高点与基准面之间的垂直距离。展压过程计算的壁厚和展起高度与展压圈数变化规律分别如图7和图8所示。

a)镦粗 b)展压4圈 c)展压7圈

d)展压10圈 e)展压13圈 f)展压结束

图4 半月砧展压过程中坯料剖面截图
Figure 4 The sectional view for block during forging with semilunar die

图5 壁厚测量示意图Figure 5 The schematic drawing for measuring the thickness

图6 展起高度测量示意图Figure 6 The schematic drawing for measuring the height

由图7可知，随着展压圈数的增加0～10°区壁厚稳步减小，20°附近壁厚减小最为剧烈。这是因为此位置处于半月砧小平面与弧线过渡处，变形过程中金属迅速向底部和侧壁流动，导致此位置越来越薄。展至18圈之后此位置将出现缩颈，使壁厚分布不均匀。 20°～70°区壁厚随展压圈数的增加壁厚减薄，但减薄速度越来越慢，至第10圈以后，外轮廓完全贴下模壁，继续展压侧壁均匀变薄。70°～90°壁厚的变化情况则是先减薄，然后壁厚又增加。展压结束，坯料形成底部圆角过渡处最薄，侧壁20°～70°壁厚较为均匀，顶端70°～90°壁厚减小的碗状坯，如图4f所示。

从图8可以看出，随展压过程的进行，坯料第2圈展起高度有所增加，这是因为坯料被半月砧挤压出凹槽，与凹槽相连金属被挤起。2～10圈，展起高度快速下降，变形主要集中在与半月砧接触的上端，坯料金属以径向流动为主，使坯料外径迅速扩大，高度随之下降。10圈以后，展起高度迅速上升，坯料与下模壁相贴合，下部金属被挤压沿下模壁向上流动，使得展起高度随之快速上升。

图7 壁厚随展压圈数变化图Figure 7 The change diagram of thickness with spread-forging circle

图8 展起高度随展压圈数变化图Figure 8 The change diagram of height with spread-forging circle

2.3 压法兰工序模拟

半月砧展压完成，换用长条砧压制法兰，设定长条砧为刚体，与坯料接触摩擦系数设为2，其余参数均与平板镦粗一致。压制过程采用“m”字走砧法，分两圈压下，压制完毕即可得到需要的成形件。模拟结果如图1d所示。图9显示了成形件与产品比较。

3 模拟结果分析

由图9显示的成形件与产品的比较可知，成形件完全包覆产品且各部分余量比较均匀，由此表明该整锻工艺方法及主要参数可行。封头整锻成形后变形分布如图10所示，图中等效应变数据为各步变形的累积值。由图10可以看出，封头内球面顶部变形最大，等效应变达到21.4，由顶部沿球面变形逐渐减小，封头内壁比外表面变形大，封头外凸缘部分变形最小，仅为0.09。与图9对比表明，封头产品的等效应变分布在5.37到10.7之间，比较均匀。心部大的变形量有利于打碎铸态粗晶，形成细小晶粒，锻合缺陷，保证成形件质量。

图9 成形件与产品比较Figure 9 The comparison between forging and product

图10 成形件等效应变分布Figure 10 The equivalent strain distribution of forging

4 结论

(1)采用有限元法对大型带法兰封头成形工艺模拟表明，平砧镦粗、半月砧展压、压制法兰的整锻工艺方案可行。

(2)通过对两种镦粗方式的比较可得，方式二不同砧型二次镦粗出伞状坯不利于后续成形；而平板镦粗工序中成形出鼓形对后续工序是有利的。

(3)展压工序中采用上砧回转成形法，不仅可以避免大的回转量，容易对中，而且可以得到壁厚均匀、展起高度充分的坯料，保证了压法兰工序的顺利进行，进而锻制出工艺要求的封头。

[1] 王兵，王宇伟，李富江.大型封头模具的设计方法与研究[J].一重技术.2003，(4)：12-13.

[2] 刘凯泉.容器整体封头成形工艺研究[J].压力加工. 2007，(5)：79-81，88.

[3] 孟庆乐.椭圆封头压制过程中易产生的各类缺陷分析[J].锅炉制造.2005，12(4)：55-56.

[4] 李海峰，陈明亮，谢志毅.大型厚壁半球形封头热冲压成形的数值模拟[J].压力容器.2004，(3)：109-112.

[5] 朱向哲，谢禹钧，王晓华.半球形封头冲压成形有限元分析及优化[J].辽宁石油化工大学学报，2004，(12)：51-53.

[6] 姜涛，杨运民，程巩固.基于DEFORM的大型封头整体锻造工艺数值模拟[J].压力加工.2009，(2)：26-29.