基于Deform 的316L 六角螺栓頭部模鍛成形研究

文/李軼明，侯現倉，祖印杰，宋冬，廉達，李澤奇·唐山首鋼京唐西山焦化有限責任公司，河北省煤焦化技術創新中心

螺栓是焦化廠最常用的零部件之一。螺栓由“頭部”“桿部”兩部分組成，且“桿部”有螺紋，通常用于緊固連接兩個或兩個以上的、帶有通孔的零件，在使用時通常需要螺母進行配合。螺栓的種類很多，按螺栓頭部的形狀可分為外六角螺栓、內六角螺栓、雙頭螺栓、圓頭螺栓、方形頭螺栓等。316L 不銹鋼具有耐腐蝕性、耐高溫性、抗蠕變性好等特點，被廣泛應用于焦化廠的管道、換熱器板片、法蘭、閥門、螺栓等零件，對延長設備、零件的壽命，提高設備的穩定性等方面有很大的推動作用。

螺栓頭部的成形一般采用模鍛成形，根據加工材料的不同，其成形工藝也有一定的不同，常用的工藝有冷模鍛、溫模鍛和熱模鍛。研究螺栓頭部的模鍛成形，有助于對其成形機理進行分析和討論，能夠為其成形過程提供一定的理論指導。近年來，國內外也有不少學者對螺栓頭部的成形工藝進行了許多研究。付利國等對TA15 合金的高強度螺栓模鍛成形進行了研究，并通過分析鍛件的顯微組織和力學性能，得到了適合TA15 合金螺栓模鍛成形的工藝參數。湯濤等對GH4169 合金十二角頭螺栓熱鐓成形過程進行了有限元仿真，并對成形工藝參數進行了優化。Doddamani M R 等利用AFDEX 軟件模擬雙頭螺栓閉式模鍛成形工藝，對提高零件的使用壽命提供了一定的理論指導。H.，T.，Jin 等利用仿真和試驗相結合的方法研究了側螺栓的輥鍛工藝，并利用試驗對仿真結果進行了驗證。R Rajiev 等利用ANSYS 軟件對平頭螺栓的成形過程進行了有限元仿真，并分析了摩擦對模具磨損及材料流動規律的影響。S.，S.，Han 等提出了一種有效的方案來消除剛性或彈性區域的塑性變形，并且該方案成功應用于模擬長螺栓鍛造過程。林仕偉等研究了不銹鋼/碳鋼復合螺栓成形過程，得到了不銹鋼壁厚和熱鐓速度對成形結果的影響規律。趙慶云等通過有限元數值模擬和試驗相結合的辦法，揭示了鈦合金六角頭螺栓的頭部成形原理和變形特點。但目前，有關316L 六角螺栓頭部模鍛成形的研究還相對較少。

因此，本文以焦化廠化工區域常用的316L 六角螺栓為研究對象，利用Deform-3D 有限元仿真軟件對316L 六角螺栓頭部的模鍛成形過程進行了有限元仿真，揭示了316L 六角螺栓頭部在模鍛成形中的變形機理，旨在為316L 六角螺栓頭部模鍛成形的實際生產提供一定的理論依據。

模鍛成形方案設計

本文研究的對象是焦化廠化工區域常用的316L不銹鋼六角螺栓，其規格尺寸為M12×50mm。圖1為設計的模鍛前的坯料尺寸圖，直徑為12mm，長度為67.24mm。

圖1 模鍛前的坯料尺寸圖

設計所選用的材料為316L 不銹鋼(00Cr17Ni14Mo2)，其具體成分如表1所示。為了使316L 不銹鋼在成形過程中充分發揮其良好的塑性加工性能，保持更穩定的金相組織，成形的方式采用的是模鍛成形。

表1 316L 不銹鋼化學成分(質量分數，%)

整個成形過程分為三個階段：第一階段為坯料與周圍環境之間的換熱過程；第二階段為坯料與模具之間的換熱過程；第三階段為坯料的模鍛成形過程。其具體的有限元仿真過程在下一節做具體分析。

模鍛成形數值模擬設計

有限元模型的假設

在六角螺栓模鍛成形過程中，“頭部”是主要變形區域，并且“頭部”的變形主要分為兩種形式：一是軸向的壓縮；二是徑向的延展。同時還要將鍛件與周圍環境及模具之間的換熱過程、模具材料的選擇等因素都考慮進來。因此，在六角螺栓的有限元模型設計過程中，做出了如下假設。

⑴定義上、下模具均為剛性體。在六角螺栓的實際成形中，模具的變形非常小，可視為不發生變形，且對于模具的磨損也忽略不計。因此，在有限元仿真中也這樣設置，與實際保持一致。

⑵定義鍛件為塑性體。在六角螺栓模鍛成形中，鍛件發生的是永久的塑性變形和彈性變形。其中，永久的塑性變形是主要目的，而將彈性變形忽略不計。因此，在有限元仿真中也將鍛件設置成塑性體。

⑶上模具勻速運動。在實際成形中，模具的運動速度不是一個恒定的值，而是一個加速-勻速-減速的運動過程，但為了方便研究模鍛過程，將上模具的運動定義為勻速運動。

⑷均勻性假設。鍛件在實際的變形過程中，各部位并不是均勻變形的，但模鍛又是對稱的成形工藝，且鍛件也為對稱的塑性體，但在研究時，將鍛件的受力、變形假設為均勻的。

傳熱邊界條件的設置

在六角螺栓的模鍛成形中，傳熱邊界條件對模鍛結果有很大影響。因為在模鍛過程中，鍛件會與周圍環境發生熱交換、與模具發生熱傳遞，同時還會由于摩擦及變形產生熱。因此，在有限元仿真中要將這些因素對模鍛結果的影響考慮進來。表2 給出了316L 六角螺栓模鍛成形過程中的相關工藝參數的設置情況。

表2 316L 六角螺栓模鍛仿真工藝參數

遵循的損傷準則

鍛件在模鍛成形中會產生斷裂、損傷等現象，因此在模擬六角螺栓模鍛成形時，要添加損傷準則。斷裂損傷準則有許多種，本文選用的是Deform 默認的Crockroft-Latham(C-L)損傷準則，該準則形式簡單、易于嵌入到有限元軟件中，適用于絕大多數的模鍛成形數值模擬，其表達式如下：

式中：

——最大主應力；

——斷裂應變積分能量W 的臨界值；

——等效塑性應變。

模型的建立

圖2 為焦化廠化工區域常用的一種316L 不銹鋼六角螺栓尺寸示意圖，其規格尺寸為M12×50mm。

圖2 模鍛后的工件圖

模鍛過程仿真通過Deform 6.1 來完成。首先利用CREO 繪制出六角螺栓坯料和上、下模具的三維模型，并保存成.STL 格式，然后將其導入Deform 軟件的前處理中，建立模鍛過程的有限元模型。接著對導入的模具和坯料進行基本參數的設置，并對其位置、運動參數、熱交換參數等進行設置，如圖3 所示。最后生成有限元仿真數據庫，開始進行模鍛過程數值模擬。模擬過程共設置850 步，其中前50 步為坯料與周圍環境間的熱交換過程，50 ～100 步為坯料與模具及周圍環境間的傳熱、換熱過程，100 ～850 步為坯料模鍛成形過程。模鍛過程簡圖如圖4 所示，步長間隔為250 步。其中，為了更清楚地了解坯料在模鍛成形中各部位的變化情況，選取模型的1/2 進行觀察。

圖3 有限元模擬

圖4 模鍛過程簡圖

結果與討論

鍛件等效應力場分布圖

圖5 為螺栓鍛件在模鍛成形過程中的等效應力場的分布圖。從圖中可以看出，螺栓鍛件應力主要集中在“頭部”，因為“頭部”為主要變形區域；模鍛開始時，應力主要集中在鍛件“頭部”與“桿部”連接的地方，隨著模鍛的進行，分布在鍛件上的應力有所增大，且最大應力區域逐漸向“頭部”的中心移動。到了模鍛后期，螺栓鍛件整體的應力逐漸減小到0，標志著成形結束。圖中顯示，最大應力為3390MPa，這是由于模鍛后期可能存在 “飛邊”，“飛邊”處的應力在模具的擠壓下，可能會很大，屬于正?，F象。

圖5 模鍛過程鍛件等效應力場分布圖

鍛件等效應變場分布圖

圖6 為螺栓鍛件的等效應變隨著時間的變化情況。從圖中可看出，鍛件的高應變區域主要分布在鍛件“頭部”的中心位置，由中心向邊緣，應變逐漸變小，應變區域整體呈軸對稱分布。隨著模鍛的進行，應變逐漸變大，進入模鍛末期，鍛件“頭部”中心位置成形基本完成，邊緣位置還在繼續，故中心的應變低于邊緣。最后，鍛件“頭部”的邊緣位置的應變最高為2.92，這是由于在上、下模具的作用下，鍛件要充滿整個模具，而邊緣又是最難到達的位置，故受到的力較大，應變也就最大。

圖6 模鍛過程鍛件等效應變場分布圖

鍛件金屬流動規律圖

圖7 給出了螺栓鍛件在成形過程中的金屬流動情況。由圖可知，鍛件“頭部”的金屬流動速度從上往下由大變小，這是由于鍛件在成形過程中，上模具為主動運動，帶動鍛件向下運動，故鍛件“頭部”的上部分的運動要超前于下部分，產生的形變也快于下部分，故金屬流動速度也最大。從整體來看，鍛件“頭部”上部分的金屬流動主要為軸向運動，下部分的金屬流動軸向、徑向都有，這說明螺栓鍛件“頭部”的成形是軸向壓縮和徑向延伸的混合變形。整個模鍛過程中，金屬流動的速度呈先增大后減小的趨勢變化，進入模鍛后期，速度逐步趨于為0。

圖7 模鍛過程鍛件金屬流動規律圖

鍛件溫度場分布圖

圖8 記錄了螺栓鍛件溫度場隨著模鍛進程的變化。其中前100 步為鍛件與模具及周圍環境的換熱過程。在100 步時，鍛件中心位置的溫度高于表面，這是由于鍛件表面與模具接觸，發生了熱傳導。隨著變形繼續，鍛件的溫度逐漸升高，最高溫度可達1400℃，最高溫度主要出現在螺栓鍛件“頭部”的中心位置，這是由于“頭部”是主要的變形區域，鍛件發生塑性變形，金屬大量流動，金屬晶體發生相對移動，摩擦會使金屬鍛件產生內能，故溫度高于其他區域。隨著模鍛的進程，螺栓鍛件的溫度先增大后降低，模鍛完成時，鍛件溫度最低，然后進入自然降溫階段。

圖8 模鍛過程鍛件溫度場圖

結論

⑴螺栓鍛件的應力場、應變場、溫度場、金屬流動速度等在模鍛過程中均呈對稱分布，說明螺栓鍛件在模鍛成形過程中，同一截面上的所有位置變形都是均勻的。

⑵螺栓頭部的應力場、應變場、溫度場、金屬流動速度均隨著模鍛成形的進程呈先增大后減小的趨勢變化。

⑶“頭部”是螺栓鍛件的主要變形區域，該區域的變形主要有兩種類型：一是軸向壓縮；二是徑向延伸。螺栓鍛件的心部變形主要以壓縮變形為主，鍛件的表層則是壓縮變形及剪切變形的混合變形。

⑷通過分析螺栓鍛件在模鍛過程中的應力場、應變場、溫度場、金屬流動速度等變化規律，揭示了螺栓鍛件成形機理，對螺栓“頭部”模鍛成形具有一定的指導意義。