如何減小圓柱形坯料鐓粗鼓形

    在鍛造生產中，鐓粗是zui常見的基本工序。平砧鐓粗坯料時，整個坯料按變形程度大小大致可以分

為3 個區，如圖1 所示。第Ⅰ變形區程度zui小，一般成為困難變形區，第Ⅱ變形區變形程度zui大，第Ⅲ變

形區變形程度居中。這種變形不均勻的主要原因是由于鐓粗砧板與毛坯端面之間的摩擦造成的。由于

第Ⅱ變形區變形程度大，第Ⅲ變形區變形程度小，于是在第Ⅱ變形區金屬向外流動時便對第Ⅲ變形區金

屬有徑向壓應力，并使其在切向受拉應力，越靠近時表面切向拉應力越大。當切向拉應力超過材料的強

度極限或切向變形超過材料允許的變形程度時，便引起縱向裂紋。減小鐓粗鼓形的主要措施

為減小側面鼓形，保證鍛件質量，提高鐓粗變形的均勻性，可以從改變毛坯端部的邊界條件入手。

一條途徑是減小毛坯端部接觸面應力（如軟金屬墊鐓粗和加潤滑劑鐓粗)或改變變形方式（如上、

下小方砧局部鐓粗、側凹坯料鐓粗、套環內鐓粗和疊鍛等)。除了以上傳統的工藝外，文獻[1]提出一種圓

柱無鼓鐓粗方法，即將圓柱形坯料的上下端面預制成凹形[1]。由于在工具表面與工件的接觸面中，不存

在黏著區而使之變形均勻。實質上該法也是通過改變工具與工件的接觸面大小，控制工件的外摩擦達

到改變變形形狀的目的。另一條途徑是改變鐓粗板形。例如燕山大學劉

助柏教授提到的錐形板鐓粗新工藝[2]，這種工藝改善了變形體內部的應力狀態（為三向壓應力），迫使平

板鐓粗的難變形區變形，鍛件鼓形小，整體變形均勻，消除或降低了平板鐓粗靜水應力區的剪切變形

強度。對鍛合毛坯的內部空洞缺陷，改善毛坯內部金屬的組織與力學性能，防止內部新缺陷的產生起到

了良好的作用。在這兩種途徑中，很多學者做了大量的定性物理模擬和定量數值模擬。其中文獻[3]應用鍛造有限元軟件DEFORM 作為模擬平臺，對傳統的減小鐓粗鼓形的措施進行了數值模擬，發現與普通鐓粗相比，側凹坯料鐓粗、軟金屬墊鐓粗和套環內鐓粗都能不同程度地減小鼓形的大小，其中套環內鐓粗工藝減

小鼓形zui顯著。傳統的減小鐓粗鼓形的鐓粗方法。由此，作者利用DEFORM 有限元分析軟件對一

般平板鐓粗、套環內鐓粗工藝、毛坯凹形端面鐓粗和錐形板鐓粗進行了模擬對比。

建立模型

上述三種工藝措施的模擬過程均在相同的條件下進行，模擬材料45鋼，假定材料各向同性，雙線性等向強化。材料屈服點σs=60MPa，彈性模量E=90×103MPa，泊松比μ=0.3。圓柱體毛坯原始尺寸：高度H0=150mm直徑D0=100mm，高徑比H0/D0=1.5，壓下量45mm，壓下率η=30%。錐形板鐓粗中錐形板α=15°，鐓粗后的直徑為90mm，高為105mm。毛坯凹形端面鐓粗端面凹坑深度δ=11mm，直徑d=50mm，圓弧半徑R=119mm。

坯料劃分為10000 個網格單元，模擬步數為100 步，每步壓下量為0.45mm，則鐓粗比KH=1.5。設定鍛造

初始溫度1200℃，坯料與模具之間的摩擦系數0.3，上砧移動速度20mm/s。毛坯凹形端面鐓粗毛坯形狀

毛坯凹形端面鐓粗的相對直徑比zui小，鼓形也zui小，其次是套環內鐓粗和錐形板鐓粗，而平板鐓粗的鼓形zui大。

種鐓粗方式模擬后的毛坯等效應力分布圖。

它們的共同點都是在與砧面接觸的地方等效應力大，并且平板鐓粗和套環內鐓粗要比其

他兩種方式的鐓粗應力面積要大。這是由于毛坯與上下砧接觸面之間摩擦和溫度降低造

成的，接觸面積越大，應力集中就越大。套圈內鐓粗和普通的平板鐓粗相比基本沒有多大

改善，由于套環的存在使得坯料鼓形區周圍受到壓應力作用，所以在應力分布圖上可以

看到在套環內鐓粗毛坯的鼓形區有應力分布，而在平板鐓粗卻沒有。錐形板鐓粗主要分

布在鐓粗時形成的錐形接觸面上，大大改善了坯料內部的應力情況，使其處于較好的三

向壓應力狀態。帶凹坑毛坯的鍛件鐓粗時，由于砧面與坯料中心不接觸，所以其應力主要

集中在毛坯上下端面的環形接觸面上，接觸面積小。等效應變為4 種鐓粗方式模擬后的毛坯等效應變分

布圖。3 種鐓粗工藝與平板鐓粗的毛坯內部的等效應變相比都好。套圈內鐓粗和平板鐓粗很相似，兩端

面的難變形區始終只有極小量的變形，但由于套圈鐓粗在其毛坯周邊加了套圈，使其對毛坯施加壓應

力，所以，它比平板鐓粗有了一定的改善。從圖中看到毛坯凹形端面鐓粗的等效應變相對比較均勻，毛

坯內部組織得到了很好的鍛合。錐形板鐓粗不但其中心內部得到很好的鍛合，而且難變形區面積明顯

變小，僅僅局限在毛坯上下端面的圓周方向上。

結論

本文通過對4 種鐓粗工藝措施的有限元模擬，

發現與傳統的3 種減小鐓粗鼓形的措施相比，套環

內鐓粗工藝、毛坯凹形端面鐓粗和錐形板鐓粗能不同程度地減小鼓形。其中毛坯凹形端面鐓粗減小鼓

形效果zui為明顯，毛坯凹形端面鐓粗和錐形板鐓粗

都在很大程度上提高了鐓粗毛坯的變形均勻性。同

時也說明，采用商業化的鍛造有限元軟件DEFORM

對鍛造過程進行數值模擬是可行的，這對鍛造生產

將具有現實的指導意義。