【導讀】5t及以上的鑄鋼件。這類產(chǎn)品，一方面為重大成套設(shè)備的制造提供毛坯，另一方面也。直接為重大工程項目提供備品備件。大型鑄鍛件產(chǎn)品是電力、冶金、石化、造船、鐵。路、礦山、航空航天、軍工及工程等裝備的基礎(chǔ)部件，其經(jīng)濟帶動性強，輻射作用大，是產(chǎn)業(yè)鏈上不可缺少的重要一環(huán)，是衡量一個國家重工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。大型高端鑄鍛件行業(yè)壁壘較高，在國內(nèi)屬于壟斷競爭格局。的廠家主要有一重、二重、上海電氣—上重、華銳重工、中信重工、太重和沈重。本期，我們重點關(guān)注大型鑄鍛件方面的情況，將檢索到的信息進行匯總、編排，提供給貴單位，以期對大家有所幫助。流式70萬千瓦及以上機組和用于抽水蓄能的軸流式機組為主。裝備大型化、復(fù)雜化對大型鑄鍛件行業(yè)提出了更高要求。百萬千瓦級核電機組常規(guī)島低壓整體轉(zhuǎn)子鍛件。這是目前世界上所需鋼錠最大、鍛件。構(gòu)加氫反應(yīng)器，一重生產(chǎn)的世界最大的單臺重量已超過2020噸。組合式船用曲軸長度可達18米，重量達到300噸。

　　

【正文】 大鍛件生產(chǎn)上應(yīng)用的研究，進行了大量有意義的工作。從鋼錠澆注、鍛件生產(chǎn)及鍛后熱處理，所進行的研究工作覆蓋了 大鍛件熱加工生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，完成了可以用于鋼錠凝固過程模擬及缺陷預(yù)測，鍛造過程模擬及工藝優(yōu)化，淬、回火過程溫度及應(yīng)力場分析的計算程序。通過與各生產(chǎn)廠家的密切合作，這些程序已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了實際應(yīng)用，計算結(jié)果與實際情況相當吻合，充分證明了程序的可靠性。而且利用這些軟件已經(jīng)對很多實際生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化，取得了顯著的經(jīng)濟效益。這些軟件可以為大鍛件的熱加工工藝 技術(shù)資訊 第 24 頁 共 31 頁 制定提供一個全面的 CAE 解決方案，能夠有效地提高工藝制定的合理性，提高生產(chǎn)效率。 鋼錠凝固過程模擬及缺陷預(yù)測 眾所周知，大型鍛造用鋼錠中一般存在縮孔 、疏松、夾雜和偏析等缺陷。這些缺陷的存在會增大材料的消耗，而且可能會影響到后續(xù)鍛造工序。認識缺陷形成及分布的規(guī)律，并進而提出合理的鑄錠工藝，對于提高大鍛件質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期、降低材料消耗具有重大意義。從八十年代中期開始，作者與第一重型機器廠合作，對鋼錠凝固過程的溫度場進行了大量研究，建立了鋼錠凝固中傳熱過程的數(shù)學模型。同時對發(fā)熱劑、保溫劑的發(fā)熱機理進行了深入的探討，并建立了相應(yīng)的數(shù)學模型。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出一套專用的有限元模擬程序 MIPS。 MIPS 可以分析凝固過程中溫度場的分布，確定不同時刻凝固前沿的位置，而 且能預(yù)測縮孔及疏松的位置及尺寸。使用該程序?qū)σ恢?220 噸鋼錠的生產(chǎn)工藝所進行的優(yōu)化，成功地解決了疏松進入錠身的問題。圖 2 顯示了工藝改進前后，縮孔及疏松的模擬結(jié)果。 (a)原工藝 (b)改進工藝 圖 2 220 噸鋼錠上縮孔疏松缺陷的分布 采用 MIPS 軟件并結(jié)合正交設(shè)計的方法，對鋼錠結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)對縮孔大小的影響進行了 研究，得出了 “ 冒口端部條件對縮孔疏松的影響最顯著，其次是側(cè)壁耐火磚的導熱系數(shù)，再次是錠身錐度，而錠身高徑比則影響不大 ” 的結(jié)論。這對于工藝人員掌握鋼錠生產(chǎn)規(guī)律，并優(yōu)化工藝會有很大的幫助。 MIPS 軟件不僅在普通鋼錠的凝固模擬及缺陷預(yù)測中取得了成功，而且已成功地應(yīng)用到無冒口或小冒口鋼錠，定向結(jié)晶錠以及空心鋼錠的研究當中。尤其在定向結(jié)晶錠中，通過引入流場，對凝固過程中的傳質(zhì)過程進行了數(shù)學描述，從而能夠準確地預(yù)測出鋼錠的偏析情況。 在大型鋼錠凝固過程中，錠模出現(xiàn)裂紋甚至報廢的現(xiàn)象也是不容忽視的。在 MIPS 軟件成 功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，我們又開發(fā)了三維鋼錠錠模的應(yīng)力分析程序，有助于解決這一問題。 技術(shù)資訊 第 25 頁 共 31 頁 鍛造過程模擬及工藝優(yōu)化 鋼錠需要經(jīng)過鍛造才能達到產(chǎn)品所希望的形狀，這是大鍛件生產(chǎn)關(guān)鍵的一環(huán)，它的成功與否直接影響著整個生產(chǎn)。以前開發(fā)的一些程序，由于大多針對某一具體的工藝過程，不具備造型功能，在模具運動或邊界條件的施加等方面存在著很大的局限性，通用性比較差。一旦遇到新的問題，通常要對程序作較大的修改，無法滿足鍛造過程模擬的需要。針對這一問題，我們采用與世界上成熟的商品化軟件，如 ANSYS 相結(jié)合的道路，利用 ANSYS完善的 前、后期處理功能，成功地解決了 ANSYS 不能進行網(wǎng)格重劃的難題，開發(fā)出了一套二維和三維的彈塑性、彈粘塑性大變形通用的鍛造過程模擬程序。該程序可以與 ANSYS 實現(xiàn)無縫集成，從而具有了較強的通用性。該軟件可以描述多個模具及其運動，能有效地控制加載；不僅可以得到金屬流動、應(yīng)力、應(yīng)變的變化，而且可以得到載荷力，模具受力等信息，有助于在制定工藝時選擇合適設(shè)備，評估模具的磨損甚至破壞。 多向模鍛工藝綜合了模鍛和擠壓工藝的特點，可以制造外形復(fù)雜、中空、無飛邊鍛件。過去，這方面的研究多采用物理實驗方法，如采用在鉛試樣對稱 面上劃網(wǎng)格或做低倍實驗等來研究金屬的流動情況。由于多向模鍛件外形復(fù)雜、中空，且在封閉型腔內(nèi)成形，影響因素較多，金屬變形流動過程極為劇烈、復(fù)雜，所以這些物理實驗方法都存在著一定的局限性，如網(wǎng)格法對于劇烈的變形將失去作用，低倍實驗對于復(fù)雜的流動也會得不到清晰的金屬流線。更重要的是，通過這些實驗，只能對變形過程的某一方面進行研究，而得不到對變形全過程的認識；而且由于模具的加工、調(diào)試費工費時，需要大量的資金投入。而采用數(shù)值模擬方法，可以完全避免這些缺陷，得到整個變形全過程的各種信息。由于多向模鍛的特點，對其工藝過程 進行數(shù)值模擬具有很大的難度，而且也頗具代表性。 由于等徑三通的形狀特點，其多向模鍛擠壓成形的工藝過程應(yīng)為一個三維問題，見圖 3。 圖 3 等徑三通鍛件圖 技術(shù)資訊 第 26 頁 共 31 頁 為使問題簡化，本文采用了平面應(yīng)變模型，主要分析兩正交管軸線所組成對稱面上的金屬流動及模具受力情況。圖 4 顯示的模擬結(jié)果表明，在水平?jīng)_頭先擠入的方案中，當水平?jīng)_頭擠到打靠位置時 ，沖頭上部的坯料金屬會因為較快地向上流動，會脫離開水平?jīng)_頭，從而在坯料與水平?jīng)_頭之間形成一個空腔。這一結(jié)果與實際吻合得相當好，由于模擬采用了平面簡化模型，在空腔的大小上與實際還有一些差別，但模擬結(jié)果仍能揭示出該工藝的變形特點。 圖 4 三通擠壓過程的模擬結(jié)果 在成功開發(fā)了二維分析程序的基礎(chǔ)上，我們已經(jīng)開發(fā)出了基于 ANSYS 的 三維大變形彈塑性、彈粘塑性程序，可以分析復(fù)雜的三維金屬塑性成形問題。圖 5 所示為生產(chǎn)大型曲軸TR 法鐓鍛成形工藝的數(shù)值模擬結(jié)果。通過模擬計算可以有效地確定水平進給速度與垂直進給速度對成形的影響，可以幫助工藝人員確定適宜的速度匹配方案，從而達到優(yōu)化工藝的目的。 圖 5 曲軸 TR 法鐓鍛工藝的模擬結(jié)果 (等效塑性變形的分布 ) 技術(shù)資訊 第 27 頁 共 31 頁 處理過程模擬 熱處理工序是熱加工的最后一道工序，是保證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量、滿足性能要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量及性能要求，避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，熱處理工藝的制定普遍傾向于采用保守一點的方法，所以是耗時較長的工序之一。較長的加熱、保溫時間會大大增加能源的消耗，也會拖延產(chǎn)品投入市場的時間。如何在保證質(zhì)量的前提下，縮短熱處理加工工時，是改進熱處理工藝的一個重要發(fā)展方向。 經(jīng)過十年來的大量研究工作，在使用數(shù)值模擬技術(shù)進行大鍛件熱處理工藝的分析和優(yōu)化方面，我們積累了大量的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。所開發(fā)的熱處理專用軟件 NSHT 不僅可以分析加熱、淬火及回火過程中溫度場分布，而且可以給出應(yīng)力的分布及相態(tài)的變化過程。通過數(shù)值模擬不僅可以對整個工藝過程有更加深入、全面的認識，而且可以用來對工藝進行優(yōu)化。我們與一重集團合作，采用 NSHT 軟件對材質(zhì)為 26Cr2Ni4MoV 的 6MW 轉(zhuǎn)子工藝進行了優(yōu)化。圖 6 是改進前的淬、回火熱處理規(guī)范。通過對加熱、淬火及回火不同方案的模擬計算表明： a 淬火規(guī)范 b 回火規(guī)范 圖 6 6MW 轉(zhuǎn)子原工藝熱處理規(guī)范示意圖 ，為達到蓄積熱量，高速通過奧氏體化相變區(qū)的目的而在 660℃ 保溫 8 小時實際上可以取消，改為以適當?shù)募訜崴俣韧ㄟ^相變區(qū)，進入保溫階段，可以縮短加熱所需要的時間。 ，最后油冷可以采用水淬激冷至心部超過 珠光體相變區(qū)，然后空 技術(shù)資訊 第 28 頁 共 31 頁 冷通過貝氏體相變區(qū)，操作既方便又能滿足應(yīng)力的要求。 ，而冷卻階段的影響較小，因此可以提高出爐溫度以節(jié)省爐子的時間；回火過程的保溫時間有一個最佳時間，保溫已基本上沒有作用 (應(yīng)力降低很少 )。在回火件內(nèi)外溫差要求許可的條件下，可以縮短回火保溫時間。 根據(jù)以上結(jié)論對 6MW 轉(zhuǎn)子的工藝進行了改進，并已在實際生產(chǎn)中取得了成功，不僅縮短了工時、簡化了操作，而且性能與應(yīng)力水平仍能滿足要求。這一工藝改進成功表明，采用 NSHT 能夠有效分析熱處理工藝 的各個環(huán)節(jié)對鍛件內(nèi)部質(zhì)量的影響，從而可以使熱處理工藝的制定更加合理，達到節(jié)省工時，降低成本，提高鍛件內(nèi)部質(zhì)量的目的。 先進制造技術(shù)的一個趨勢就是將各種技術(shù)有效地集成，從而使其發(fā)揮更大的效益。從國內(nèi)大鍛件生產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，將 CAD 及 CAE 結(jié)合起來是一條現(xiàn)實而且見效快的途徑，即根據(jù)某一產(chǎn)品的具體特點開發(fā)出一套專用的設(shè)計與模擬分析一體化的軟件。該軟件依靠現(xiàn)有的、成熟的 CAD 和 CAE 技術(shù)，只是在其基礎(chǔ)上進行一些二次開發(fā)工作，這樣可以避免較高的開發(fā)成本。軟件只需要由 工藝人員輸入較少的產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)，就可以完成如生成鍛件圖，模具圖等工作，并且可以自動生成數(shù)值模擬所用的輸入信息，確定多個工藝方案。然后，自動啟動模擬軟件進行分析，給出不同工藝條件下的結(jié)果及其規(guī)律，進而對工藝方案進行優(yōu)化。我們已經(jīng)在與第一重型機械集團公司合作研究封頭成形的項目中初步實現(xiàn)了上面的設(shè)想。 由于數(shù)值模擬技術(shù)在工藝設(shè)計方面的突出優(yōu)點，它必將在生產(chǎn)制造領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，這是技術(shù)進步的必然結(jié)果。在工藝設(shè)計中采用模擬技術(shù)替代傳統(tǒng)的僅憑經(jīng)驗的方式，能夠有效地提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量，這一認識在發(fā)達國家已經(jīng) 成為共識。近年來，國外用于分析鍛造成形、凝固過程、熱處理分析的軟件都已進入了商品化階段，有些已經(jīng)進入了中國市場。這些軟件與國內(nèi)軟件相比，在通用性、易用性等方面具有較大的優(yōu)勢， 技術(shù)資訊 第 29 頁 共 31 頁 但價格相當昂貴，而且材料庫等只包含歐美等國常用的材料，不適合于中國國情。所以結(jié)合國外的一些先進技術(shù)，盡快開發(fā)出適合于國內(nèi)企業(yè)應(yīng)用的數(shù)值模擬軟件是當務(wù)之急。但更為重要的是將現(xiàn)有的、成熟的數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到實際生產(chǎn)當中，這還需要廠校之間加強合作 。 （ 摘自 磨具網(wǎng)） 大型鑄鍛件粗晶及其解決方法的探討 技術(shù)資訊 第 30 頁 共 31 頁 技術(shù)資訊 第 31 頁 共 31 頁 技術(shù)資訊 第 32 頁 共 31 頁 （摘 自 《 大型鑄鍛件 》 ）