随着钢铁、能源、石油化工以及造船业的发展，尤其是核电装备制造业的发展，所需大锻件的吨位总量逐年增加，单个大锻件的重量与尺寸不断增大，同时对其组织性能要求的标准也在不断提高。为满足这种对大锻件不断增长的需求，原有的锻造工艺方法必须不断改进。中心压实法(Japan-Tefeno-Shikano, JTS)，又称差温锻造法，是日本的馆野万吉等在1958 年发明的一种锻造方法。该法自传入我国以来，在各重机厂沿用至今。工艺过程是，出炉的高温毛坯先进行表面快速冷却，在锻坯截面上自外至里形成较大的温度梯度，然后用上窄砧下平台对锻件单面施压。传统的冷却方法是用大功率鼓风机强迫风冷，给锻造车间造成诸多不便，故此，现今各工厂都靠锻坯自然冷却至表面温度到700～800 ℃，然后开压。由于锻坯自然冷却很难在锻坯表面与心部形成合适的温度梯度，既增大了设备载荷，又难保证心部空洞、疏松缺陷的压实；锻坯自然冷却需要较长时间，浪费设备有效工作时间。因此，研究一种新的大锻件压实锻造方法，对提高我国大锻件的制造技术将有重要意义。邓陟等用密栅云纹技术和气动仪法研究了中心无拉应力锻造(Free from mannesmann, FM)法、宽砧强压锻造(Wide die heavy blow forging, WHF)法和V 形砧拔长时的孔洞闭合效果和条件。文献基于细观塑性理论和体胞模型，推导出了大锻件内部空洞的体积演化方程。本文利用工装改善锻坯中心的应力应变状态，获得最佳的锻造工艺参数并确定影响空洞闭合的主要因素。

    传统的JTS 法是依靠低温表层硬壳，在专用的上窄砧、下平台上对锻坯强压，使变形集中于心部，并处于高的三向压应力状态，有效地压实锻件心部的孔隙性缺陷。新中心压实法(New-Japan-Tefeno-Shikano, NJTS)锻造则是借助设计的一种特殊辅具工装(简称工装)，工装的作用除可向锻坯施压外，更重要的是替代传统的中心压实方法中低温表层硬壳的作用，使锻坯心部处于强烈的三向压应力状态，并产生大的变形。新中心压实法的力学原理与工装结构如图1 所示。

      图1a 是NJTS 法的力学原理图，传统JTS 法技术关键是在锻坯表层形成冷壳，以便于在内部形成高的静水压力。为替代传统JTS 法表层冷壳的作用,变形部分金属除上下受工装的强压外，左右两侧也同时受工装的迫压，前后方向，由于工装与毛坯的摩擦作用，心部金属的流动受外层金属的阻碍，在整个变形区域形成大的静水压力。为实现上述力学原理设计了图1b 所示的工装。它由槽口相对的上、下两个槽型固定板(上、下固定板)与置于两固定板之间的左、右两个侧挡块通过8 个L 形导向板连接组成的一个上下、左右对称机构。槽型固定板与左右侧挡块通过两角度相同的斜面接触，形成滑动配合。L 形导向板长端用螺钉固定在上、下固定板上，短端嵌入侧挡块外侧的凹槽，形成滑动配合，使上、下固定板和侧挡块能够实现联动，侧挡块的外侧面上设置有中心凹槽，与固定板内侧壁上的导向滑键配合，为固定板与侧挡块的相互运动做导向。

       使用工装压实时，首先将钢锭锻成图1 中序号6 所示的截面形状的锻坯，然后在锻造操作机或锻造天车夹持下，把锻坯放入处于张开状态的工装内，下固定板安装在水压机的移动工作台上，上固定板固定在水压机动梁上，上固定板在水压机作用下，带动上压实砧向下运动，同时迫使左、右侧挡块沿槽型固定板内斜面向内、向下运动，对置于中心的坯料进行夹紧压实。起压实作用的主要是上、下压实砧，左、右侧挡块主要起夹紧作用，水平方向移动的位移很小。一次压下以后，上固定板随水压机上行，左、右侧挡块在L 形导向板作用下，与上固定板联动上行，向上及外侧移动松开坯料，从而实现坯料的进给，压完坯料垂直的两面后，将坯料进行压肩、倒角再对其它两面进行压实。

       锻件在上下压实砧及左右侧挡块的作用下，心部可产生强烈的静水压应力和大的等效应变，有利于修复锻件内部的孔隙性缺陷，达到甚至超过传统JTS 法的锻造效果，由于略去了传统JTS 法锻前的表面降温工序，工艺简单，改善了工作环境；由于没有温降，与传统JTS 法相比，降低锻造时所需的载荷，可以在现有设备上锻造重量和尺寸更大的锻件。图2 是使用NJTS 法时毛坯截面上静水压应力和等效应变的分布，由图2 可知，除砧角处因应力集中造成更高的压应力外，整个毛坯截面上处处都为基本均匀分布的压应力，这种应力分布，不仅有利于空洞、疏松缺陷的消除，也有利于防止锻造过程中新的缺陷形成。就应变分布而言，也非常合理，截面中心区域有最大的变形。

 

1.2 NJTS 锻造方法工艺参数

     对于NJTS 法，影响锻造效果的主要工艺参数有：上下压实砧宽度与锻件初始截面的高度之比(砧宽比)b1/h0、b2/h0，上下压实砧长度与锻件原始高度之间的比值(砧长比)l1/h0、l2/h0；左右侧挡块宽度与锻件原始高度之间的比值(侧宽比)b3/h0；左右侧挡块与上下槽型固定板的接触平面角度(侧压角)α，上下压实砧及左右侧挡块与中间坯料的接触摩擦因数μ，以及压实时的相对压下量η，如图1b 所示。避免锻后锻件中心线与钢锭中心线的偏移，取b1=b2=b3=b，l1=l2=l。主要工艺参数的初始取值和研究的工艺路线示于图3。

 

2.1 模型的建立

      大型锻件的毛坯是钢锭，空洞与疏松大都集中在钢锭的截面心部，锻造的一个主要目的是修复这些心部缺陷，为评价NJTS 法本身及工艺参数的优劣，选择对空洞缺陷修复的效果作为衡量的标准。数值模拟使用DEFORM-3D 软件，模型与网格的划分如图4 所示。

     为便于与后续的物理模拟进行比较，模型尺寸如下：截面高110 mm、宽90 mm，轴向长度140 mm。在以坯料横截面中心为一个顶点，边长20 mm 的正方形四个角上各设直径为2 mm 的球形空洞，空洞直径与坯料高之比为1/55，由于在中心压实过程中，坯料变形基本是对称的，取其1/2 建模，对中心空洞进行网格的细化分技术，划分网格79 988 个，节点17 848 个，模具网格都是8 000 个。4 个空洞编为1～4 号，1 号空洞在截面中心位置，2 号空洞在竖直对称面上，4 号空洞在水平对称面上。空洞截面圆的水平轴为a' 轴，竖直轴为b' 轴，空洞c' 轴沿坯料的轴向。

     模拟材料是刚粘塑性材料55 钢，坯料与上下压实砧及左右侧挡块的摩擦按剪切摩擦处理摩擦因数取最大值1，坯料初始温度1 200 ℃，模具及环境初始温度均为20 ℃，坯料与模具之间的表面传热系数为11 W·m^-2·K^{-1  ，坯料与环境的表面传热系数为0.02 W·m-2·K-1，上压实砧的压下速度为25mm/s，每步0.004 s，左右侧挡块在不同侧压角情况下，应与上压实砧联动。}

2.2 合理相对压下量的确定

     相对压下量η 是重要的工艺参数之一，合理的相对压下量既可保证锻件内部缺陷的修复，又可减小锻件横截面畸变，为后道变形工序的顺利进行提供条件。在研究相对压下量的影响中，其他参数不变，并取侧压角α=5°，砧宽比b/h0=0.8。

2.2.1 主压方向空洞闭合与相对压下量的关系

     图5 是锻坯横截面中心空洞1，主压方向椭球形空洞轴随相对压下量的变化。其他位置的空洞的变化与1 号空洞的变化趋势相同。

分析图5 可知：

空洞的变形主要集中在压实的后期，压实的前期变化不大。为定量描述椭球形空洞b' 轴变化率λb 随相对压下量η 的变化，定义椭球形空洞b'轴变化率

    式中，b'1 为变化后的b' 轴半轴长度，b'0 变化前b'轴半轴长度。

    图6 是椭球形空洞b' 轴变化率λb 随相对压下量η 的变化曲线，曲线表明：当相对压下量η>12%后空洞闭合加速，因此η 应大于此值。计算还表明在一次压下过程中，当η 取18%～20%时，空洞才能在主压方向闭合。

2.2.2 空洞体积V 随相对压下量的变化

     压实过程中，空洞体积变化率大小是衡量压实工艺优良与否的重要指标，为此，定义空洞体积V 变化率:

    式中，V1 为变化后的空洞体积，V0 变化前的空洞体积。

     图7 是锻坯横截面上不同位置空洞的体积随着相对压下量变化的曲线，各曲线变化基本呈线性规律，在相对压下量为16%时，各个空洞体积都变为原来的1/5 左右，可见NJTS 法对于压合坯料内部的空洞效果是比较明显的。只要增加压下量至18%左右，空洞在一次单砧压下完成后就会完全闭合。

2.3 最佳砧宽比的确定

2.3.1 主压方向空洞闭合与砧宽比的关系

      由前面的研究，选择相对压下量η=16%作为对砧宽比优选的基本参数，图8 是空洞1主压方向b'轴长度变化率λb 在不同侧压角α 下，随砧宽比b/h0 的变化曲线。

     b'轴长度变化率λb 随砧宽比b/h0 的变化趋势可分为两个阶段，以砧宽比b/h0=0.8 为分界点，当砧宽比b/h0≤0.8 时，随砧宽比b/h0 的增大，b'轴变化率急剧减小，当砧宽比b/h0≥0.8 时，砧宽比的增加对b'轴直径的变化影响很小，因此在采用NJTS 法压实时，合理的砧宽比b/h0≥0.8。

2.3.2 空洞体积变化砧宽比的关系

     图9 是相对压下量η=16%时，空洞1 的体积变化率λV 在不同侧压角α 下，随砧宽比的变化曲线。

     由图9 可知。空洞体积变化率λV 随压下量的变化规律如下所述。在各种侧压角α 下，随砧宽比的增大，空洞体积都有明显的降低。砧宽比b/h0=0.4 时空洞体积变化率为–1.71%，而b/h0=1.2 时，λV= –92.9%，变化非常显著，还可以看到，在b/h0≤0.8 时，随砧宽比的增大，空洞的体积的减小速率大，而当砧宽比b/h0≥0.8 时，随砧宽比的增大，空洞的体积的减小速率变小。在砧宽比b/h0<0.7 时，小侧压角比大侧压角有更大的空洞体积变化， 而当砧宽比b/h0>0.7 时，正好相反，因此，在小的侧压角α 下，小的砧宽比b/h0 更有利于空洞快速闭合，而采用大的侧压角α 时，也要相应用大的砧宽比b/h0。

2.4 最佳侧压角的确定

2.4.1 空洞周围的等效应变ε 随侧压角α 的变化

     图10 为相对压下量η=16%时，侧压角α 的变化曲线。空洞1 周围的等效应变ε 在不同砧宽比下，随侧压角α 的变化曲线。

    由图10a 可知，以不同砧宽比压实时，空洞周围等效应变的变化规律相同，随着侧压角α 的增大，等效应变值呈线性增大，且不同砧宽比下，等效应变增大的比例基本相同，因此在一定的砧宽比下压实时，增大侧压角有利于提高坯料心部的等效应变。

2.4.2 静水应力与侧压角α 的关系

     空洞周围的静水应力的大小用三轴度来表示，图10b 是不同砧宽比下空洞周围应力三轴度Rσ 随侧压角α 的变化曲线，由图10b 可知，当砧宽比b/h0=0.8 时，应力三轴度Rσ 近乎为一条水平线，而当砧宽比b/h0≤0.8 时，空洞周围的应力三轴度Rσ 随侧压角α 的增大，当砧宽比b/h0>0.8 时，空洞周围的应力三轴度Rσ 随侧压角α的增大而略有减小。这说明在中心压实过程中，坯料内部空洞缺陷的体积变化率λV 与其周围的应力三轴度Rσ 水平的变化规律有着相似的变化，也进一步说明锻造过程中静水应力是影响大锻件内部空隙类缺陷压实修复的重要参量。

     为进一步研究NJTS 法对钢锭心部空洞的锻造压实效果，在数值模拟研究的基础上，进行物理模拟研究。大锻件的锻造都是热变形，选用在室温下具有热变形特性的铅作为模拟材料，进行变形试验研究。在锻坯内部制出与数值模拟研究中的微小球形空洞在工艺上难实现。故此，在铅试件内部预置柱状孔洞进行新中心压实的试验研究。试验工艺参数如下：砧宽比b/h0=1，侧压角α=10°、相对压下量η=16%，试件尺寸： 45mm×55mm×70 mm的

长方体铅块，在其长度方向的横截面中心和侧面中心分别打3.5 mm×35 mm 和3.5 mm×25 mm 的盲孔，试件与试验模具如图11a 所示。为研究压实过程中空洞闭合的最佳方式，研究单向压实和双向压实两种闭合方式，试验结果分别如图11b、11c 所示。

3.1 单向压实工艺

     在一个方向上对锻坯进行顺序压实，图11b 是相对压下量η=8%时，锻坯内部空洞、横截面、轴截面的形状和尺寸变化情况，下表是试验实测与数值模拟的结果。试验表明，当相对压下量约为19%时，内部空洞闭合。压实变形中，由于试件端部突起外翻，靠近端部的空洞尺寸虽有减小，但未闭合。

3.2 双向压实工艺

    先对锻坯在一个方向进行压实，然后对锻坯进行压肩、倒角后，翻转90°，再进行压实，两次压下时都取单边相对压下量η=8%。图11c 是两次压实后，轴向空洞的压实试验结果。

    由图11 可以看到，锻坯进行了两次压实后，与单向压实后一样，离端部较远处的孔洞完全闭合，靠近端部的空洞未闭合，原因与单向压实相同。由于锻件长度方向留有较大余量，端部材料被切掉。不会影响锻件质量。

 (1) 提出了一种新的大锻件中心压实方法—NJTS 法，并设计了实用工装。新中心压实法能在整个横截面上形成大的静水压力，在心部有最大的变形，利于压合缺陷。

(2) 在砧宽比b/h0=1，侧压角α=10°条件下，NJTS 法能在锻件心部造成更大的变形与更高的静水压力。

(3) 单向压实时η 为18%～20%，双向压实时η为8%～9%，都可锻合内部模拟空洞。