導讀：目前，大型封頭鍛件容易出現壁厚不均勻，局部拉薄、褶皺。為克服上述問題，本文提出了封頭鍛件工藝優化。通過Deform-3D數值模擬分析，對比封頭沖形工藝進行，對成形板坯和沖形輔具進行優化，避免封頭局部減薄和褶皺，最終優化后的封頭成形工藝滿足要求。

封頭是化工、核電等設備的重要部件，為了保證設備在高溫、高壓下長期、高效運轉，對性能的要求也越來越高，通過整體鍛造得到的封頭具有更高的強度和在高溫、高壓氫氣下具有更大的抗力，應用前景廣泛。

核電封頭的完整性將直接關系到核反應堆的安全和壽命。封頭在工作過程中受到高溫、高壓，特殊服役條件對核反應堆壓力容器所用材料也提出了更加嚴格的要求：⑴在室溫和工作溫度下具有合適的強度和高韌性及盡可能低的脆性轉變溫度；⑵良好的可焊接性和冷熱加工性；⑶在工作溫度下具有最大的組織穩定性；⑷有足夠的淬透性和厚斷面組織性能均勻性。

常見的封頭有橢球封頭和球封頭兩種。本文介紹了球封頭沖形成形，通過數值模擬優化封頭成形輔具，保證了沖形后球封頭壁厚均勻。

球封頭鍛造工藝簡介

鋼錠切錠底、冒口壓鉗口→鐓粗壓實→拔長下料→鐓粗壓實→鐓粗出成品→鍛造板坯鍛后熱處理→板坯粗加工→板坯探傷→板坯彎曲成形。

Deform模型建立

三維實體模型利用三維建模軟件UG建立球封頭成形上模、精加工的三維實體模型，如圖1、圖2所示。

球封頭成形過程中，成形上模與水壓機活動橫梁連接，成形下模放在四個角柱上，沖形行程H=1300mm。沖形完成后，水壓機活動橫梁抬起，用天車吊起沖形完成的封頭。

圖1 球封頭成形上模

圖2 球封頭精加工圖

材料模型選擇SA508-3，該鋼具有優良的工藝穩定性和焊接性以及較高的強度。在Deform材料庫中沒有這種材料數據，根據材料物性實驗，得到材料的真實應力應變曲線，如圖3所示。

圖3 SA508-3材料應力應變曲線

板坯沖形成形過程中，成形板坯定義為變形體，成形模具定義為剛體。成形板坯與模具之間的摩擦是一種非常復雜的物理現象，與接觸表面的各種因素有關，如接觸面間的相對硬度、表面粗糙度、溫度、法向應力及相對滑動速度等，優勢還在變形過程中產生變化。在Deform中有剪切摩擦和庫侖摩擦兩種類型，本文選擇剪切摩擦類型。把變形體與成形上模直接的摩擦系數定義為μ=0.4，把變形體與成形下模之間的摩擦系數定義為μ=0.3。沖形溫度設置為1000℃。

球封頭成形數值模擬分析

根據精加工圖的尺寸，設計成形板坯圖，通過系列數值模擬仿真進行板坯和模具優化，通過模擬結果對成形前板坯尺寸進行驗證，確定成形板坯如圖4所示。

圖4 成形板坯尺寸

沖形結束后(行程1300mm），球封頭鍛件與精圖的對比情況如圖5所示。數值模擬按照此方案得到的封頭鍛件，可滿足精加工。球封頭底部的余量單邊約10mm，球封頭開口端內圓、外圓單邊約25mm，從圖中可以看出球封頭鍛件滿足精加工尺寸要求。

圖5 球封頭鍛件與精圖對比

沖形成形完成后等效應力如圖6所示，球封頭開口端變形量最大，相當于收口過程，造成了應力的集中，約為40MPa，球封頭底部變形量最小，成形應力也最小。沖形成形完成后等效應變如圖7所示，等效應變為0.02～0.2mm/mm。成形力如圖8所示，最大成形力約2600t。

從球封頭沖形數值模擬結果可以看出底部減薄較嚴重，調整下模成形角度，優化上模具底部圓弧，最終保證沖形后封頭余量均勻。

圖6 沖形后球封頭等效應力圖

圖7 沖形后球封頭等效應變圖

圖8 球封頭沖形成形力

球封頭沖形模具優化及數值模擬

首先分析沖形下模角度對封頭板坯成形效果的影響，調整成形下模模具角度，對比成形力大小，通過模擬對比成形后鍛件與精加工余量沒有明顯差別，但考慮到此穩壓器封頭直徑較小，直段長度較大，沖形下模的成形角度越大，沖形力越小，對板坯沖形時導向效果越好，板坯越不容易起皺。

在成形溫度1000℃，板坯形狀不變的前提下，成形力對比如圖9所示，模具角度越大成形力越小。下模角度16°時，成形力為2600t；下模角度21°時，成形力為2400t；下模角度35°時，成形力為2000t。通過對比可以發現，角度越大，板坯沖形成形需要的力越小。通過成形力對比，最終確定球封頭沖形下模成形角度為35°。

圖9 模具角度對成形力的影響

修改成形板坯，增加球封頭底部板坯厚度，底部增加25mm，保證球封頭板坯沖形后壁厚均勻，增加球封頭底部余量，修改后成形板坯如圖10所示。

圖10 優化后成形板坯

優化球封頭板坯、沖形輔具后，球封頭沖形結果如圖11所示，球封頭開口端等效應力最大，約40MPa。沖形后球封頭鍛件與精加工對比如圖12所示，球封頭鍛件各部余量均勻，鍛件內壁與凸模接觸情況良好，余量均勻，球封頭底部余量約20mm，球封頭開口端兩側余量約20mm，滿足要求，沖形后球封頭鍛件如圖13所示。

結論

圖11 球封頭沖形

圖12 球封頭鍛件與精加工對比圖

圖13 球封頭鍛件

⑴球封頭設計成形板坯時，應加大風險點處壁厚，沖形成形下模設計角度應為30°～40°之間，避免因成形力增長造成封頭的局部減薄。通過系列數值模擬不斷優化板坯和成形輔具，保證封頭沖形一次成形，保留完整的鍛造流線，為后續熱處理提供好的組織基礎。

⑵通過調整沖頭與下模之間的間隙，優化下模圓角，避免球封頭在沖形時出現折傷?？刂扑畨簷C壓下速度和沖形行程。開始沖形時水壓機應使用一級壓力，避免沖形過程中速度過快。

⑶當沖頭接觸封頭板坯后，在沖形行程達到H=600～700mm時設置鍛造終點，使封頭板坯在沖形過程中內部應力充分釋放，如果實際沖形發現起皺和折疊應及時停止，板坯返爐加熱后再進行沖形，避免封頭板坯卡在下模上而導致封頭底部減薄。

作者簡介

胡杰，工程師，主要從事鍛造工藝研究等相關工作，參與過課題“大深潛壓力筒數值模擬輔具設計”、“主管道比例實驗輔具設計”；擔任過“主螺栓近凈成形工藝研究”課題負責人。

——來自鍛造與沖壓2019年第11期