圆柱锻件冲孔允许变形量对应孔径比的模拟研究

高锦张，叶 明，马武江，王兴中

（1.东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211189；2.上海新闵重型锻造股份有限公司，江苏 东台 224200）

在工业发展过程中，空心锻件的应用场合越来越多，使用越来越频繁。例如在核电行业，空心锻件应用于主管道锻件、反应堆压力容器和蒸汽发生器等，这类锻件都是核电站的一级关键部件，长期处于高温、高压以及高流速带来的交变应力等恶劣的工作环境[1-3]。随着工业生产要求的日益提高，锻件的尺寸增大、重量增加，性能指标提高，制造难度也随之增加。

圆柱锻件在进行冲孔过程中，外形尺寸变化影响着整形工序的进行，同时均匀的应变场有利于提高锻件的整体性能。当冲孔直径较大时，坯料中金属参与变形的区域变大，导致坯料的外形变形越大，对坯料的应变场均匀程度影响也越大，后续整形工序的工作量也越大。

本文对圆柱锻件冲孔过程进行研究，通过分析圆柱锻件冲孔坯料外形变形量随冲孔孔径比的变化规律，提出冲孔允许的坯料外形变形量判据来确定相对应的冲孔孔径比范围，为实际生产提供理论指导。

1 有限元模型的建立及模拟方案简介

本文选用DEFORM-3D有限元软件模拟分析圆柱锻件冲孔的锻造过程，坯料模型尺寸与实际尺寸以1:1进行建模，如图1所示。其中冲头选用平底冲头，在冲头端部设有圆角r=20mm。H为圆柱锻件的初始高度，D为圆柱锻件的初始直径，冲头直径即目标锻件的内孔直径d，d/D为目标锻件冲孔时的孔径比。分析圆柱锻件冲孔坯料外形变形量随冲孔孔径比的变化规律。

图1 冲孔前后的坯料的尺寸

有限元模型参数设置如表1所示，坯料的材料模型是P91耐热合金钢，设为塑性体；冲头及下平砧采用H13钢，不发生塑性变形，均设置为刚体。冲头速度设为40mm/s，其与坯料的摩擦系数设为0.1，实际生产中冲头表面采用重油润滑。在坯料冲孔过程中，为了均衡求解精度和求解速率，在网格划分过程中，采用绝对网格划分，设置合理最小单元尺寸。DEFORM-3D软件求解器选用Conjugate求解方法，Direct iteration迭代法。

表1 前处理工艺参数的选定

圆柱锻件冲孔时，需冲孔毛坯的高径比H/D（H、D分别为圆柱锻件的高度和直径）不同，冲孔引起的外形尺寸的变化量也将不同。根据实际要求提出允许坯料外形变形量的合理判据，确定冲孔孔径比d/D（D、d分别为圆柱锻件的毛坯直径和冲孔孔径）。

2 冲孔坯料外形变形量随孔径比的变化

2.1 冲孔的坯料外形变形量

文献[4]定义冲孔后毛坯外形发生变形的坯料端面塌陷h、坯料变性后直径Dmax和坯料变形后高度Hmax三个参数描述外形变化。在此采用两个参数来描述冲孔后坯料外形变化程度。分别为冲孔后锻件的鼓形最大直径Dmax和端面变形后的最大高度Hmax，各参数具体如图1所示。

为了比较冲孔后外形变化程度，分别提取高度的变化量△H，最大外径变化量△D，作为上述参数的定量比较，其中：

2.2 冲孔坯料外形变形量与孔径比的关系

选择H/D=2.0中，直径D为ø1000mm，高度H为2000mm的坯料进行模拟分析。冲孔过程分为正向冲盲和锻件翻转180°后冲孔，冲头行程皆为坯料原始高度的一半，选择孔径比为0.25、0.30、0.35、0.40和0.45。研究冲孔后圆柱锻件外形变形量随着冲孔孔径比的变化情况，通过数据采集得到各个尺寸下坯料外形变形量随着孔径比增大的变化状态，如图2所示。

图2 冲孔坯料外形变形量随孔径比的变化关系

由图2a可知，圆柱锻件冲孔外形变形量△H/H随着孔径比的增大而增大，表明随着孔径比的增大，冲孔结束后圆柱锻件高度减小量越大。由图2b可知，圆柱锻件冲孔外形变形量△D/D随着冲孔孔径比的增大而增大，表明随着孔径比的增大，冲孔结束后圆柱锻件鼓形的最大直径增大量越大。

如前文所述，坯料的变形程度影响后续锻造过程及整形操作。通过研究圆柱锻件冲孔坯料外形变形量随冲孔孔径比的变化规律，根据实际锻造过程应变场的均匀程度要求确定|△H/H|与|△D/D|的允许范围，确定允许变形量判据对应的冲孔孔径比。由图2c可知，当|△D/D|判据与|△H/H|判据标准皆为判据1时，|△D/D|判据对应的孔径比数值为a，|△H/H|判据对应的孔径比数值为b，在两个判据条件对应的孔径比取较小值为坯料尺寸为ø1000mm×2000mm下允许的最大冲孔孔径比；当 |△D/D|判据与|△H/H|判据标准不同，|△D/D|判据为判据1，|△H/H|判据为判据 2，|△D/D|判据对应的孔径比数值为a，|△H/H|判据对应的孔径比数值为b′，在两个判据条件对应的孔径比a，b′取较小值为坯料尺寸为H/D=2.0时ø1000mm×2000mm允许的最大冲孔孔径比。

3 相同高径比不同直径的圆柱锻件冲孔外形变形量随孔径比的变化规律

选择高径比H/D=2.0，坯料直径D为分别400mm、600mm、800mm、1000mm、1200mm、1400mm和1600mm，7种P91耐热合金钢的坯料尺寸进行冲孔模拟实验。选择孔径比为0.25、0.30、0.35、0.40和0.45。通过数据采集得到各个尺寸下坯料外形变形量随着冲孔孔径比增大的变化状态，如图3、4所示。

由图3a、4a可知，在高径比为2.0，圆柱锻件的冲孔过程结束后，随着坯料直径的增大，冲孔时锻件外形变形量增大。在圆柱锻件冲孔过程中，可以利用图3a、4a进行插值估算圆柱锻件直径在400mm～1600mm之间的冲孔变形量，从而根据冲孔变形量判据确定最大冲孔孔径比，为圆柱锻件冲孔工艺参数的制订提供分析依据。

由图3b、4b可知，在任意坯料直径条件下，外形变形量判据条件：|△H/H|判据和|△D/D|判据确定的对应的冲孔孔径比较小值为最大冲孔孔径比。

上述研究描述了高径比为2.0时，直径为400mm～1600mm的圆柱锻件冲孔时外形变形量与冲孔孔径比的变化规律。旨在为P91耐热合金钢不同高径比下圆柱锻件冲孔时外形变形量与冲孔孔径比之间关系提供研究方法。根据实际生产要求对圆柱锻件冲孔允许外形变形量提出判据，确定对应的冲孔孔径比。

图3 H/D=2.0不同坯料直径D冲孔时高度变形量随孔径比的变化规律

4 圆柱锻件冲孔允许变形量与孔径比的对应规律

根据冲孔外形变形量变化情况对应的应变场均匀程度分布状况，将限定|△H/H|≤5%，|△D/D|≤10%作为冲孔变形量判据条件。

选取高径比（H/D）为 1.0、1.5、2.0、2.5 和 3.0 的圆柱锻件，其中H为圆柱锻件的毛坯高度，D为圆柱锻件的毛坯直径。在每个高径比下，选择几种坯料尺寸，如表2所示。

选取表2中的尺寸数据，分别对高径比H/D为1.0、1.5、2.5、3.0的坯料进行冲孔模拟实验，记录各个坯料尺寸下满足 |△H/H|≤5%，|△D/D|≤10%判据条件对应的冲孔孔径比，将数据记录分别在表3和表4。

图4 H/D=2.0不同坯料直径D冲孔时直径变形量随孔径比的变化规律

表2 坯料尺寸/mm

表3 不同H/D下，满足|△H/H|≤5%的孔径比

表4 不同H/D下，满足|△D/D|≤10%的孔径比

由表3和表4可知，不同H/D下，满足|△D/D|≤10%的孔径比均小于|△H/H|≤5%判据条件所获得的孔径比。因此，在两个判据条件对应的孔径比取较小值为|△D/D|≤10%的对应的孔径比。

由表4可知，在同一高径比下，坯料的冲孔允许外形变形量对应的冲孔孔径比随着坯料直径的增大呈减小趋势；在相同坯料直径时，孔径比随着坯料高径比的增大而减小。为了更加直观观察冲孔允许变形量对应的冲孔孔径比与坯料尺寸变化的关系，将表4中孔径比数据转化为相应坯料直径时的冲孔尺寸，如表5所示。

表5 不同H/D下，不同坯料直径的最大冲孔尺寸/mm

同时绘制成以高径比H/D为横坐标，以冲孔尺寸为纵坐标，将不同坯料直径下冲孔允许变形量对应的冲孔尺寸与高径比H/D的关系绘制成图5。

由图5所示，在相同坯料直径下，随着高径比的增大，冲孔允许外形变形量对应的冲孔尺寸也减小。在相同高径比下，随着坯料直径的增大，冲孔允许外形变形量对应的冲孔尺寸变大。

根据以上分析结果，在圆柱锻件冲孔过程中，坯料冲孔外形变形量满足 |△H/H|≤5%，|△D/D|≤10%判据条件时，对于直径在400mm～1600mm间的圆柱锻件允许外形变形量对应的冲孔尺寸可通过图5进行插值获得，从而为大型圆柱锻件冲孔工艺参数提供分析依据。

图5 不同坯料直径下，冲孔尺寸与高径比H/D的关系

5 结论

本文选取高径比为 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 的圆柱锻件，在不同圆柱锻件直径尺寸下进行冲孔工艺的模拟分析，得到以下结论：

（1）高径比一定，毛坯直径一定时的圆柱锻件冲孔过程中，随着孔径比增大，冲孔坯料外形变形量增大。

（2）在H/D=2时，当圆柱锻件冲孔外形变形量满足判据条件，可通过圆柱锻件冲孔外形变形量与冲孔孔径比变化关系得到对应的允许冲孔孔径比。

（3）在H/D=2时，当坯料直径为400mm～1600mm时，冲孔允许外形变形量对应的冲孔尺寸与坯料直径的关系可以通过插值查表得出。

（4）在圆柱锻件冲孔外形变形量满足|△H/H|≤5%，|△D/D|≤10%判据条件时，在相同坯料直径下，随着高径比的增大，冲孔允许变形量对应的冲孔尺寸也减小。在相同高径比下，随着坯料直径的增大，冲孔允许变形量对应的冲孔尺寸增大。

（5）在圆柱锻件冲孔外形变形量满足|△H/H|≤5%，|△D/D|≤10%判据条件时，在 H/D=1.0、1.5、2.0、2.5和3.0时，当坯料直径400mm～1600mm时，冲孔允许外形变形量对应的冲孔尺寸与坯料直径的关系可以通过插值查表得出。