拔长过程中端部纵向裂纹分析[ 01-07 10:05 ]

在镦粗工序完成后，锻件侧面已经产生一定的腰鼓肚形状。而在进行接下来的拔长工序时，由于采用了前面已经选择的径向十字锻造法，拔长方向需要沿着垂直于镦粗时的轴线方向。在拔长刚开始时，锻件拔长的两端实际上已经存在了一定的腰鼓形如图 5-1（a）所示，并随着拔长的进行，锻件两端鼓肚形状会越来越大。从前面镦粗纵向裂纹的分析可知，锻件侧面的腰鼓形状会导致锻件表面纵向裂纹的产生，其腰鼓形状越大，裂纹越容易产生。因此在拔长过程，由于锻件两端存在着鼓肚形状，锻造时会产生一定的切向拉应力，从而容易导致端面裂纹的产生，如图 5-1（b）所

镦粗过程的孔洞闭合[ 01-07 09:05 ]

通过热作模具钢钢锭的检测发现，在钢锭的心部存在着微小的孔洞，其直径约为1mm-2mm，高度长短不一。孔洞缺陷存的在会使材料的连续性及其力学性能下降，对于内部质量要求较高的热作模具钢来说，这将会严重降低锻件的使用寿命甚至使锻件报废。研究表明，孔洞缺陷的愈合主要有分为孔洞闭合和闭合界面焊合两个阶段，通过采用合理的锻造变形工艺，可以使金属材料内部空洞闭合；然后再通过高温下原子扩散与再结晶可使已闭合的空洞进一步焊合，从而有效是恢复材料的连续性及力学性能。孔洞的闭合是孔洞焊合的先决条件，因此，研究孔洞的闭合规律以及孔洞闭合的

镦粗过程的疏松压实[ 01-07 08:05 ]

疏松是大型钢锭主要的缺陷之一，多以微小孔隙分布于钢锭轴心上的上部和中部。钢锭疏松的产生会降低锻件的强度、刚度、塑性等性能指标，严重影响到锻件成形后的使用性能和质量。 5CrNiMo 热作模具钢钢锭采用的是圆柱形电渣重熔锭，尺寸规格为Φ580mm×1350mm，重量为 2.8t。由于钢液凝固的特点，钢锭不可避免的存在一些缺陷，2.8t 电渣重熔钢锭内部实际上存在着少量疏松缺陷，位于钢锭中心部位，其尺寸长度大约有 100mm-200mm，直径约占钢锭直径 5%-10%，呈暗黑海绵状的小点和孔隙较集

镦粗的实验结果[ 01-06 10:05 ]

圆棒料镦粗后表面都产生了不同程度的裂纹，其表面裂纹情况如图 4-10 所示，不同高径比的圆棒料镦粗后产生的裂纹都出现在圆棒腰鼓型面上，基本都是由圆棒料鼓肚的中心位置开始产生初始裂纹的，这与前面模拟结果镦粗裂纹产生预测位置的结果是一致的。不同高径比镦粗试验裂纹的长度并不一致，但是裂纹方向都是与竖直方向呈一定的倾角，这是由于镦粗过程中，棒料轴向受压缩时，内部会产生一个 45°剪切的力，导致了棒料鼓肚中心处开始破裂后，裂纹产生的方向倾向于 45°角。凤谷工业炉集设计研发,生产销售,培训指导,售后服务一体化

镦粗的实验方案[ 01-06 09:05 ]

镦粗裂纹试验选取 5Cr Ni Mo 直径为 25mm 的棒料，按照高径比 H/D=2.3、2.0、1.7和 1.4（如图 4-9 所示），圆棒料试样尺寸规格分别为 Φ25mm×57.5mm、Φ25mm×50mm、Φ25mm×42.5mm 和Φ25mm×35mm。棒料初始镦粗温度为 1100℃。镦粗过程中，当棒料出现裂纹即马上停止镦粗，然后分别测量其棒料鼓肚形尺寸参数 H、D1、D2和 Dmax（如图 3 所示），然后计算平均端面直径 Dmin=(D1+D2)/2 和

锻件形状对空穴扩张比的影响[ 01-06 08:05 ]

在镦粗过程中，由于变形不均匀，锻件会产生腰鼓形状，从而容易导致裂纹的产生。一般情况下，腰鼓形越大，其锻件表面越容易产生裂纹。而对于多大的腰鼓形才会导致裂纹产生，目前尚未有明确结论。在实际锻造过程中，只能凭借着经验对腰鼓形的大小进行控制，而无法准确判断鼓形大小的合理性。因此，本节将具体探讨腰鼓形状的大小对裂纹产生的影响，避免锻件表面裂纹的产生，减少缺陷，将对实际锻造过程具有重大的意义。 凤谷工业炉集设计研发,生产销售,培训指导,售后服务一体化,专利节能技术应用,每年为企业节省40%-70%的能源成本,主要产

临界空穴扩张比的计算[ 01-05 10:05 ]

学者郑长卿对空穴扩张比计算经过了长期研究，总结出了不同材料在以拉应力为主应力的情况下，临界空穴扩张比的经验计算公式：计算数据结果，空穴扩张比随压下率的变化曲线如图 4-3 所示。由图可见，钢锭表面 P1、P2和 P3点的在载荷下的空穴扩张比都随压下率的增大而迅速上升，其中钢锭表面的中心 P1点的空穴扩张比值上升速度最快，空穴扩张比的值是最大的，这可以判定 P1点是最容易开裂的危险的点。当压下率到达 65%时，当 P1点的空穴扩张比值已经接近于临界空穴扩张比 VGC时，在压下率继续增大情况下，P1点的空穴扩张比就会超

空穴扩张比的计算[ 01-05 09:05 ]

利用镦粗过程的有限元数值模拟，然后从模拟后处理结果中分别提取 P1、P2和 P3点的平均应力、等效应力和等效应变数据等，然后带入公式（4-11）分别计算应力三维度 Ra和载荷下的空穴扩张比 V，其数据如表 4-1 所示。凤谷工业炉集设计研发,生产销售,培训指导,售后服务一体化,专利节能技术应用,每年为企业节省40%-70%的能源成本,主要产品加热炉,工业炉,节能炉,蓄热式炉,垃圾气化处理设备，欢迎致电咨询:0510-88818999

裂纹产生危险点的选择[ 01-05 08:05 ]

首先，在钢锭的表面从中心到一端分别均匀的取 5个点进行跟踪镦粗过程中的应力应变变化，其各个点周向应力变化曲线如图 4-2 所示。由图可见，钢锭表面各个点的周向应力都随着压下率的增大而增大，而其中 P1、P2和 P3点由于靠近表面中心变形量大，周向拉应力都比较大；而 P4和 P5点由于接近端面，变形程度小，周向拉应力较小。根据宏观的裂纹产生理论，较大的拉应力易产生裂纹，P1、P2和 P3点都符合了要求，因此选取 P1、P2和 P3点来作为危险点进行裂纹产生分析。 凤谷工业炉集设计研发,生产销售,培训指导,售

镦粗过程纵向裂纹产生分析[ 01-04 10:05 ]

裂纹是锻造生产中常见的主要缺陷之一，通常是先形成微观裂纹，再扩展成宏观裂纹。在镦粗时，锻件的中间区域的变形量大，而两端由于受到摩擦力影响变形较小，锻件两端金属向中间流动时，中间金属受到挤压而向外，向外流动的金属便使金属表面产生切向的附加拉应力。在镦粗实际过程中，由于金属材料变形不均匀引起的金属表面的切向拉应力，从而容易导致金属材料侧表面纵向裂纹的产生（如图 4-1 所示）。根据镦粗纵向裂纹产生的分析，从宏观来看，裂纹产生的主要原因是由于镦粗过程锻件表面产生拉应力。但从细观的角度分析，金属材料内部空穴的形核、扩张和聚

拔长过程锻件尺寸变化[ 01-04 09:05 ]

图 3-14 为拔长过程中锻件横截面尺寸试验测量值与有限元模拟值的变化情况。第 0次翻转表示锻造前锻件横截面尺寸，由图 3-14 可见，横截面尺寸 a 在翻转 90°之前均增大，而在翻转 90°之后，尺寸 a 会减小，并且在随后每次出现翻转 90°前后都会出现增大和减小的情况。而横截面尺寸 b 则与尺寸 a 呈现相反的变化规律。这是由于在拔长过程，锻件截面横向尺寸由于金属流动而出现“展宽”现象，尺寸会增大，而高度方向尺寸由于受到砧板锻打，高度会下降

拔长过程温度的比较[ 01-04 08:05 ]

图 3-13 为拔长过程中锻件侧面的有限元模拟温度与试验温度的对比。模拟和试验过程采用翻转 180°和 90°交替的翻转方式。第 0 次翻转表示锻打前锻件表面温度，第 1次翻转表示第一趟锻打后（翻转前）锻件侧表面温度。由图可见，起初的 2 次翻转锻件侧面温度变化比较小，这是由于锻打过程锻件侧面只与空气接触，传热比较少。而锻件侧面温度在第 3 次翻转前急速下降，这是由于第 3 次翻转前锻打的是翻转了 90°锻件表面，锻件的测量侧面原来与砧面接触，传热系数大，温度下降比较快。在第 4 次翻转前锻

镦粗过程的变形尺寸比较[ 01-03 15:03 ]

锻件尺寸作为锻件的形状的一个重要特征，通过验证其尺寸的变化一致性可以用来验证金属材料的流动性能和力学性能的参数的可靠性。 镦粗过程的锻件的尺寸试验测量值和有限元模拟计算值如图 3-12 所示。由图 3-12（a）可见，镦粗过程锻件高度尺寸随着锻锤次数的增加而逐步减小，在初始阶段锻件高度下降比较快，而在后面阶段锻件高度变化速度减小。这是由于在开始镦粗时，锻件变形温度比较高，变形抗力较小，因此在镦粗过程的前面阶段锻件高度尺寸下降比较快。而随着镦粗的进行，锻件温度有所下降，且锻件与砧的接触面积增大，变形抗力增大

镦粗过程的表面温度对比[ 01-03 14:54 ]

在锻造过程中，锻件温度是作为控制锻造过程开展的一个重要指标，也是材料热物理性能的表现，因此通过试验来验证有限元模型锻件表面温度的分布，可以验证有限元材料模型的热物理性能参数的准确性。 镦粗过程锻件侧表面温度的试验测量结果与模拟结果如图 3-11（a）所示，当打击锤数初始为 0，即表示锻造前锻件侧表面的试验测量值。在整个镦粗过程，锻件侧表面温度的试验值要小于模拟值，并且试验值与模拟值的差值随着打击锤数的增加而增大。 镦粗过程锻件端面温度变化曲线如图 3-11（b）所示，从锻锤数 0 到第 3 锤之

第一次拔长锻造过程的测量[ 01-03 14:39 ]

对于拔长过程数据的测量，本试验选取锻件截面尺寸锻打接近至 200mm×200mm时，开始测量锻打后锻件表面温度和截面尺寸的变化数据。锻打过程中，采用锻件翻转180°－90°交替锻打的拔长方法（如图 3-7 所示），即每锻件锻打完一趟后，逆时针翻转180°进行锻打一趟，然后再逆时针翻转90°锻打一趟，接着又继续循环下去。为了记录的方便，把最初锻打锻件朝向向上的横截面变长尺寸标记为 a，把朝向向右的横截面边长尺寸标记为 b，如图 3-8 所示。每锻打完一趟后，测量被锻打后表面

第一次镦粗锻造过程的测量[ 01-02 10:05 ]

在镦粗过程中，选取每锻打锻件 1锤，对锻件测量一次。测量过程利用红外测温仪快速测量锻件端面中心点的温度和表面中心点的温度（如图 3-6 所示），并用卡钳和量尺测量锻件变形的尺寸，包括锻件中间鼓肚最大直径 Dmax、及高度 H。当锻件高度镦粗至 190mm 时，停止测量数据，测量数据如表 3-5 所示。凤谷工业炉集设计研发,生产销售,培训指导,售后服务一体化,专利节能技术应用,每年为企业节省40%-70%的能源成本,主要产品加热炉,工业炉,节能炉,蓄热式炉,垃圾气化处理设备，欢迎致电咨询:0510-88818999

锻造试验测量方法[ 01-02 09:05 ]

根据表 3-4 所制定的锻造工艺卡进行锻造，其试验过程中镦粗和拔长工序如图3-5所示，锻打过程中通过夹钳进行手动转动、翻转和送进等操作。由于锻造过程包含了镦粗和拔长两种主要锻造工序，其变形量比较大。因此本试验选取了第一次镦粗和第一次拔长过程进行数据的测量。 凤谷工业炉集设计研发,生产销售,培训指导,售后服务一体化,专利节能技术应用,每年为企业节省40%-70%的能源成本,主要产品加热炉,工业炉,节能炉,蓄热式炉,垃圾气化处理设备，欢迎致电咨询:0510-88818999

试验锻造加热设备—室式锻造加热炉[ 01-02 08:05 ]

加热设备采用 1.5×1M 天然气加热炉如图 3-1 所示，炉子炉膛规格深 1000mm×宽1500mm×高 1700mm，最高加热温度 1280℃。加热炉加热过程的温度采用可编程电脑控制系统进行控制，温度控制精度：±5℃，温度均匀性≤6℃。 凤谷工业炉集设计研发,生产销售,培训指导,售后服务一体化,专利节能技术应用,每年为企业节省40%-70%的能源成本,主要产品加热炉,工业炉,节能炉,蓄热式炉,垃圾气化处理设备，欢迎致电咨询:0510-88818

锻造方法的第二次拔长的形状[ 01-01 10:05 ]

采用三种不同锻造方法拔长后，坯料的形状如图 2-33 所示。三个坯料的总体尺寸大致为1500mm×485mm×485mm，达到了预定的尺寸要求。由图可见，三个坯料总体形状相同，只有在坯料的两端形状有所不同。在坯料的两端，由于受到锻锤的击打，金属流动而产生一定的腰鼓形。采用轴向反复镦拔和径向十字锻造法锻造后，坯料两端的腰鼓形状基本是一致的；而采用综合锻造法锻造后，坯料两端的腰鼓形最小，这是由于采用综合锻造法第二次拔长时，坯料是通过转角 45°倒棱来进行拔长，在倒棱过程中，由于砧板于坯料

锻造方法的第二次拔长的锻造载荷分析[ 01-01 09:05 ]

当坯料长度达到 1100mm 时，先锻打坯料一趟后，然后翻转 90°再锻打一趟，分别记录不同锻造方法在此过程中上砧板受到最大的锻造载荷曲线（如图 2-32 所示）。由图可见，采用综合锻造法拔长时上砧板的锻造载荷要比轴向拔长和径向拔长时的锻造载荷小，其原因是在综合锻造法拔长采用的是倒棱压方拔长，拔长过程坯料与砧板之间的接触面积要比其他两种拔长方法小，锻造变形抗力会相对比较小一些。而轴向反复镦拔和径向十字锻造法的拔长锻造载荷变化曲线比较一致，其原因是在锻造条件下，两种方法的锻造坯料形状比较一致，变形抗力相似。在