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工业模锻工艺中的锻造缺陷分析
Marek Hawryluk , Joanna Jakubik
摘要：本文的主要目标是确定在选定的模锻工艺中产生的缺陷。主要的问题是由于锻造模具之间的空气气囊导致填料的形成。在文献中没有使用有限元软件建模等分析缺陷的信息，因此，尝试建立数值模拟分析过程。数值模拟的结果与宏观的结果高度一致，检查了缺陷外部组织和缺陷内部组织并证实出有限元建模假设的有效性，同时证实出使用这种工具分析工业塑性加工工艺的合理性。
关键词：模锻 有限元方法 锻造缺陷
一、引言
由于锻造生产商之间的激烈竞争，近年来除了价格（主要考虑）这一因素外，在选择供应商时，所生产的锻造产品的质量被越来越多地看做是另外一个主要因素。这特别适用于汽车和飞机行业的客户，原因是他们对锻造精度和质量要求最高。模锻工艺属于最困难的制造工艺之一。即使这项技术已经掌握很好，锻件形状复杂的锻件的正确制造方法（连杆、蜗轮、等速万向节连接、涡轮机、杠杆等）要满足客户的高质量的期望，需要设计师，技术人员和操作工的经验[1,2]。新锻造设计的实施，需要通过现有技术实现连续优化，并且大量的因素对整个过程的正确性产生影响，而且相互作用的影响使锻造过程很难分析。在锻造过程中的每个阶段中，存在一个会产生错误的风险，将会导致一个缺陷即所谓的锻造缺陷。由于这个原因，使用多种CAD/CAM/CAE工具（通常是基于有限元法和物理模型）和专用的测量控制系统设计实现对整个锻造过程的优化[1-9]。
二、工艺目前发展现状
锻造过程的预型件和模件的设计是提高产品质量和降低生产成本的一个重要因素，原因是材料几乎不损失，或者是仅仅由于制造零件不正确的方法而导致损失。大多数研究人员和经验丰富的锻造工程师倾向于认为最常见的锻造缺陷（填料、褶皱）的原因是预制件或模件的不正确的几何形状和/或不正确的位置。这种错误往往是由于从钢铁厂、段塞制备合适的设备资源缺乏，或者特定型材不可用。在模锻过程中，沿长度适当间距的横截面面积的预制件（段）的直轴和在成型过程中后者的准备，对材料合理填充至模具都起到至关重要的作用[10，11]。锻造缺陷的其他原因包括：钢坯温度过低，使用过强的坯料，不恰当的制造工具，不完全移除规模，和粗糙的技术。锻造是负责大部分缺陷的原因，但锻造并不是直接责任的因素，但它可以控制和监督，以不使其产品质量恶化[6–9,11–12]。
对坯料的选择、设计和优化等方面都有大量的研究和论文，但只有几个方面的工作是利用有限元模型对锻造缺陷产生的原因进行分析。应用有限元数值模拟的可能性在于[ 11 ]，在其他的事情，用有限元分析对一个钢锭的成型过程进行数值分析，其中可以看出模拟出来的铸造气泡。随后进行了一个实验，在模拟参数相同的情况下进行加工。比较数值模型和物理模型中缺陷传播的途径。数值有限元建模主要是用来确定最佳的形状和尺寸的预制件和弹头。这是应用在锻造具有复杂的形状，如涡轮叶片、齿轮的情况下，分叉锻件等[7,8]。
设计的预制件/模件的替代技术的例子，是基于传统的工程方法，顺序利用辐射度分析技术，上限法、滑移线场方法和物理建模应用软材料。例如，在[ 10 ]中，提出使用反向跟踪方法来设计涡轮机的形状叶片。在[ 13 ]一个连续的技术的基础上的上限的方法被用于分析的预制件的几何形状，从而通过选择适当的摩擦条件，得到了一个预成形形状。作者所使用的技术是近似法，使得有可能估计塑性加工过程所需的屈服应力。总变形功率在这种方法中是由外力所消耗的功率的上限。为了确定极限荷载必须了解或采取有关应力场、应变速度场、屈服准则和塑性流动定律的假设。假设塑性应变区Vp相对不变形区有统一的速度场Vk和一些无负载的表面Sf，它遵循内外一致的功率平衡原理，即
（1）
通过确定上限和下限，可以定义包含实际力的时间间隔。顺序方法是不准确的，但它们是大大快于有限元法，特殊软件程序可以直接解释分析结果。
另一种可供选择的方法是用电场法设计一个弹状的形状。在[ 14 ]不同的段塞形状用理论电场法对模型进行了建模，并利用人工神经网络法对结果进行了优化。一对不同电压的导体之间产生电场（图1）。
为了产生一个电场，初始坯料尺寸适当调整（通常2–放大3倍）。因此，锻造的最后的轮廓是取决于初始轮廓（一个圆柱形的预成形假定）。根据电压应用，产生等势线的不同形状。作者用人工神经网络来选择最佳电场线。
在[ 15 ]，采用有限体积法（FVM）和参数化的设计方法，提出了一种新的复杂锻件形状优化设计的程序。作者还使用了[ 16 ]一个组合的人工神经网络和遗传网络优化的初始注入参数。
一个最佳的段塞设计的文献调查表明，尽管有使用的理论基础，大多数的方法仍然会遇到困难，特别是在大的塑性变形。今天，锻造最常使用基于有限体积法和有限元数值分析软件连接不当的问题预制件几何形状和/或位置。
目前的计算软件包的生产者，使他们有史以来的新功能能够更好的和更完整的分析塑性加工过程成为可能，例如，检测锻件缺陷并分析模具的耐久性（Forge、QFORM，Simufact）[17-18]。由于这样的功能，用户可以显著缩短实施新项目所需的时间，减少模具设计中的错误。显然，传统设计收费方法仍在应用，特别是在旧的锻造行业，但即使这样，IT工具也开始被使用。
Forge2011其中的一个功能，可以检测圈（褶皱功能）[ 18 ]。在仿真过程中锻造过程中的一些区域的元素被变形可能会接触到另一个。最初这些是线锻造表面，在模拟的过程中，扩大和穿透内，精确地显示大小和深度缺陷的发生。由于网格基于有限元网格的自适应叠加，组成具有复杂几何形状和小角半径和区域中的网格的自动致密化在接触到的元素，褶皱位置更准确。在后处理中，锻造成形中的缺陷（圈）可被一团红色的点（点）显示。折叠的发展在每个计算步骤中估计出。此外，在锻造的材料流动的线型被当做一个造成这种缺陷的原因的更准确的分析。
Forge2011还能检测气泡（特瑞普功能），即锻造工具之间空余空间被困的空气。当检测到一个气囊时，计算求解器在其基础上计算压力封闭空间的体积，把它作为一个边界条件，在模拟过程中，在这种方式下影响材料的流动腔模的填充。最初，压力计算假设在封闭空间变化的温度范围为T0-T1：
（2）
P0 -大气压力，T1-塞的温度，T0-外部温度。同时封闭空间体积确定V0和在气囊冷却液的体积Vlub。在下一步新的气囊体积V1和内部压力：
（3）
其中C=Psdot;(V0minus;Vlub)。
由于计算有一个明确的过程，它可能会发生封闭空间消失在连续计算步骤，并且压力将承担一个无限的价值。为了避免这种情况，默认最大压力Pmax和默认最小体积Vmin是程序的假设。如果计算机体积V1达到价值低于Vmin，方程（2）可被忽略且压力等于Pmax。
气泡会增加压力，在这样的地方导致型腔模具产生底部填充以及刀具过早退化的结果。本研究的目的是在分析模锻工艺锻造缺陷，评估使用数值模拟的结果可能性。
三、研究范围
用Forge Jawor对轴身部分和轭锻部分的复杂形状进行分析。图2显示了一个杠杆锻造修整术后（图2a）和示范位置的预制件在底模插入（图2b，黄点的地方上的弹头，在圆杆的形式停留）。图3显示了正确的完成叉锻造修整术后（图3a）和底模插入轮廓型腔模具（图3b）。
首先，初步的宏观、缺陷性和微观检查进行检测和识别缺陷锻件。然后使用Forge2011计算软件包建立了数值模拟的锻造过程和数值模拟有限元模拟运行。由于使用不同的钢坯的位置和杠杆锻造过程，可对成形过程进行深入分析，通过对程序的特拉普和折叠功能的使用确定锻件缺陷的原因。
四、在分析的锻件内确定缺陷
（1）轴身锻造
杠杆锻件的宏观检查发现在褶皱和凹模底部填充形式众多的缺陷。一个明显的填充和带圈的地方的锻造照片如图4和图5所示。一个相当大的填充发生在杆销（图4），在插入窄深型腔模具大大阻碍了材料的流入。底部填充胶也发生在锻头。此外，一个广泛的一圈，造成的不适当的流量的材料，出现在杠杆英尺（图5）。垂直于裂纹的平面上的结构的检验（平面图4b标记）显示的锻件的结构是典型的亚共析钢的珠光体铁素体。带在附近的一个圈和大量的非金属沉淀物，这成为可见在一个黑暗的视场（图6），进行了观察。一个初步的EDX分析表明他们是Fe2O3和Fe3O4氧化物可能起源于锻件的表面。在这个地方的锻造表面的氧化物和钻孔的发生，可能会导致进一步的开裂和元素损坏。
（2）轭锻
根据轭锻部分的宏观检查（图7）显示，最常见的缺陷，这一元素是褶皱（标红的区域面积）和底部填充（蓝色标记）。用Forge Jawor观察锻造过程，注意到在销区（面积2）收集的冷却液（未蒸发的工具）的剩余图7）在轭的背面部分，防止空腔模填充和在这方面的压力越来越大微裂纹并产生Rebinder效果[ 19 ]。这是一个不利的现象，因为它显着降低了锻造工具（图8）对机械裂纹的抗性（特别是在角落）。
图8显示一组（顶部和底部）轭锻在初步锻造标记和放大的锻造刀片（图8b）的裂缝发育区。大家可以看到，一个类似于底模锻件裂纹数量（图8c）比在上模更深（图8d）。这可能是由于更高的热负载和底模的冷却水完全蒸发而导致， Jawor Forge工程师利用红外确认相机进行了多次检查。同时也对搭接区进行金相检验。图9显示了一个样品的金相组织考试采取的材料对其结构平面进行了检查。同样作为轴身的情况下，轭锻的结构是一种典型的亚共析钢结构。可以观察到带在该地区的褶皱发生，但在轴身锻造的情况下没有氧化物被发现存在。在这个地方产生成圈，阻碍了锻造的进一步生产和服务。
五、建模和数值模拟
为了更深入地分析缺陷的原因，进行了数值模拟，利用有限元Forge2011程序和Transvalor工具的三维模型（模具插入被建模为元素热交换）预建。工艺参数的选择建立在操作表基础上。采用曲柄压力机的运动参数，采用了顶模变速率并依赖于曲柄的角位置。假定锻造的环境温度和温度分别为30°和1150°。通过高温计和方法测定温度的工具热成像相机，约250个角的摩擦模型，这是考虑到冷却润滑剂（石墨水溶液），使用。碳钢C45和热作工具钢1.2344分别模拟材料和模具插入。材料的规格，即热膨胀，比热，热传导率从材料的形成属性数据库[ 20 ]。应力-应变关系的正确率和杨氏模量的温度依赖性–通过在塑性进行扭转试验确定。研究覆盖的温度：650°C，750°C，850°C、1000 °C和1150 C°和应变率：0.1sminus;1、1 sminus;1的1 sminus;1和10 sminus;1。基于轴身锻造和轭锻成型工艺部分，确定了用于初始有限元分析的温度和应变速率。
使用四面体单元进行锻造的三维模拟。由于模拟高变形过程是需要的合理划分网格。确保最佳和良好的采用2个基本准则启动重新进行。网格是推出根据具体定义的时间和增加元素变形。此外，根据模具的曲率接触地点，有限元网格的部分已经细化。
（1）杆件初步锻造的仿真结果分析
为了验证数值模拟的假设，把在Jawor Forge PLC得到的锻造成形锻件的形状和仿真得到的数值模型进行比较（图10）。在闪光的形状中轻微的差异是由于forge中在实际的底部模具插入不同位置的段塞进行锻造。
有限元模拟结果的初步分析表明，一个初始材料的位置有显着影响凹模的正确填充。在第一种情况下（图11A），当钢坯移动28毫米远离底部插入凹模，一圈出现在杠杆脚。这是由于在初步锻造的最后阶段的材料的卷曲引起的。通过下一步的数值模拟，在该距离从端的空腔被改变在每2毫米，最佳预制件位置被选中，从而褶皱不再出现在杆脚。材料的流动性显著改进当芯片定位在从底部插入凹模底10毫米的距离（图11B）。有限元法仿真结果表明，进一步将预制件的插入端会在底部填充锻件的上部（杠杆头）。图11a显示在外观和测试元件折叠成长阶段，褶皱作用显现。
在图11中所示的物质流，以及应变的强度（图12）和物质流率（图13）。不同的坯料位置，确认一个圈可能出现在杆的下部的风险。由公式（3）数值模拟主动运行特拉普功能（气泡检测）。结果，由方程计算的被困的空气和润滑剂体积和压力在这个空间盛行。以1 ATM外部压力（1013帕）和平均润滑油的厚度为0.5毫米假定为计算依据。对模拟结果的分析表明，在封闭的空间增加压力，它使充满模插入变得更加困难，这可能导致锻件底部填充（图4）。
在分析锻造过程中，工具通过喷嘴被冷却和被润滑的石墨喷雾。同时发现，石墨喷雾可以在有表面气泡的地方收集（图14），生产Rebinder效应[ 19 ]。因此，重要的是要揭示出这样的区域，在设计过程中，从那时起，特别注意可以在模腔中的位置，以确保所制造的产品符合精度和质量要求。如果空气口袋可能是必要的，以纠正的工具的形状，以改善材料的流动，特别是在狭窄和深凹模中的位置。
（2）磁轭初步运行的仿真结果分析
另一个分析过程是一个磁轭的热锻。有限元模拟与特拉普功能对褶皱作用的有效运行检验出锻件缺陷外观的工艺过程的正确性。图15显示锻造成形与数值模型的比较。锻件的应变强度和温度分布初步操作后，显示在图17和16。的数值模拟（与折叠功能使用）表明，侧闪和前面的闪光重叠彼此由此产生的风险，褶皱将发生在结束时的叉叉末端出现（图18）。这是由缺陷功能检查证实一个随机选择的锻造（图19）。
同时建模与检测填充区域的特拉普函数的使用（气泡）的凹模进行预锻。图20A显示气泡发生，图20b显示压力的地方（超过600 MPa初步锻造的最后阶段）。在工业锻造过程中也有多余的润滑剂在这样的地方，没有从锻造表面蒸发掉。
（3）轭锻过程的优化
还通过模具插入的几
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