船用長軸類大鍛件鍛造工藝方法研究

1、船用長軸類大鍛件鍛造工藝方法研究船用長軸類大鍛件鍛造工藝方法研究摘要：為提高長軸類大鍛件拔長工藝的效率、降低成本、節(jié) 約能耗、改善鍛件成形質(zhì)量，根據(jù)某船用長軸類大鍛件的實(shí)際尺寸, 結(jié)合企業(yè)實(shí)際鍛造及加熱設(shè)備情況制定了鍛造工藝，并基于有限元數(shù) 值模擬軟件def0rm-3d研究了鍛造工藝方法，針對(duì)固定上砧寬度而選 擇寬度相同或?qū)挾仁反蟮南抡瑁治隽隋懠砻鏈囟葓?、截而?yīng)力分 布以及鍛造力、拔長效率的情況。結(jié)果表明，采用等寬(330mm)的 上下砧時(shí)，鍛造效率、溫度場分布均優(yōu)于其它情況，所需的鍛造力也 較小，有利于實(shí)現(xiàn)長軸類大鍛件的鍛造成形。關(guān)鍵詞：長軸類大鍛件；鍛造工藝；拔長效率；砧寬1引言船用中

2、間軸在工作過程中受旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力以及傳遞扭矩和自 重產(chǎn)生的彎曲力作用，所以對(duì)其質(zhì)量提出了較高的要求。鍛造加工時(shí), 不僅耍選用合理的工藝和參數(shù)以獲得合格的鍛件形狀和尺寸，還耍結(jié) 合長軸類大鍛件的加工特點(diǎn)，選擇合適的鍛造工藝方法，盡量提高拔 長工藝的效率。前人已經(jīng)利用物理模擬或數(shù)值模擬的方法對(duì)長軸類大鍛件鍛造 工藝路線和參數(shù)進(jìn)行了大量的研究，日本學(xué)者中島等人用塑料泥對(duì)平 砧拔長、fm法進(jìn)行了對(duì)比研究1,研究了兩種拔長方法下變形體內(nèi) 的應(yīng)力應(yīng)變特性，以及鍛造方法、應(yīng)力應(yīng)變條件對(duì)孔洞壓合的影響。 清華大學(xué)曹起釀等用密柵云紋對(duì)fm法2、平砧鍛造法3的應(yīng)力應(yīng) 變分布進(jìn)行了對(duì)比研究。為了控制坯料截血上橫向拉

3、應(yīng)力的出現(xiàn)，燕 山大學(xué)劉助柏教授提出了同時(shí)控制料寬比及砧寬比的lz鍛造法4, dudra and im5 > park and yang6模擬分析了平砧、fm 法(寬平 臺(tái)下砧)的拔長過程。然而，這些研究基本上是針對(duì)一次壓下或者一 趟鍛打工藝過程得出的。而長軸類大鍛件的實(shí)際鍛造是一個(gè)多工序、 多次進(jìn)給和翻轉(zhuǎn)的多工步連續(xù)鍛造工程，不同工步之間相互影響，如 果后續(xù)工藝選擇不當(dāng)，有可能使前一工序成形的鍛件發(fā)生開裂。因此， 如何按實(shí)際鍛造過程進(jìn)行模擬分析，成為鍛造加t的熱門研究問題。本文結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備情況，針對(duì)固定寬度的上砧，模擬釆用不同下 砧寬度時(shí)鍛件的表面溫度分布、鍛造力、拔長效率及應(yīng)力分布，

4、確定 合理的鍛造工藝方法。2鋼錠的選擇某船用中間軸鍛件圖如圖1所示（虛線為最終零件輪廓），材料 為35crmo合金結(jié)構(gòu)鋼，鍛件重量約為5. 736噸。由于所用鍛造設(shè)備 為4t sdy3. 4自由鍛電液錘，考慮到產(chǎn)品的重量和變形量，需采用4 火次鍛造該產(chǎn)品。按每火的燒損率取2%計(jì)算，坯料工藝重量約為6. 2 噸。考慮到工藝重量和鍛造比的因素，選用8噸普通鍛造用八角鋼錠, 長1 725 mm,如圖2所示。鋼錠在入爐前需鋸去冒口和底部，以保 證成品鍛件中不會(huì)有縮孔或偏析等有害缺陷。鋼錠可用的錠身部分的 實(shí)際重量約為6. 6 t,符合工藝重量的要求。按上述鋼錠大端直徑820、小端直徑778取平均直徑為

5、799,計(jì) 算鍛件的鍛造比1：中間軸法蘭段的總鍛造比k1二7 992/5 402=2. 19, 軸身段的總鍛造比k2=7992/2 802=8. 14,符合中間軸法蘭段總鍛造 比1.5.軸身總鍛造比3.0的指標(biāo)要求9。3中間軸鍛造工藝卡片的指定合理的鍛造溫度范圍應(yīng)能保證金屬在該溫度范圍內(nèi)具有較高的 塑性和較小的變形抗力，并能使鍛制出的鍛件獲得所希望的組織和性 能。在此前提下，鍛造溫度范圍應(yīng)盡可能取得寬一些，以便減少鍛造 火次，降低消耗，提高生產(chǎn)效率并方便操作等。按35crmo合金結(jié)構(gòu) 鋼選取始鍛溫度為1150°c,終鍛溫度為800°co對(duì)于溫度頭，文獻(xiàn)7 推薦選取2050&

6、#176;c,由于采用鋼錠開坯鍛造，過熱傾向較小，因此 選擇溫度頭為50°co根據(jù)所要成形的鍛件形狀和火次分配，制定中間軸鍛造的工藝卡 片，如表1所示。4鍛造工藝的有限元模擬由于拔長工藝在整個(gè)鍛造過程中占有較大的比例，對(duì)鍛件質(zhì)量影 響也較大，因此本文選擇拔長工藝進(jìn)行研究。根據(jù)實(shí)際使用設(shè)備情況， 其上砧固定在動(dòng)力頭上，為不可拆卸寬w二330 mm的平砧，下砧可以 根據(jù)生產(chǎn)需要拆卸替換。本文研究下砧為330 nini（普通平砧鍛造法）、 400 mm、500 mm和下砧為寬平臺(tái)（fm鍛造法）4種情況下的鍛造效 率、溫度場分布、鍛造力和應(yīng)力分布情況，從而選擇適合中間軸成形 的工藝方法。4.

7、 1有限元模型受設(shè)備噸位影響，當(dāng)坯料截面尺寸較大吋，壓方和拔長工序的變 形較困難，研究較大尺寸截面時(shí)坯料的變形比較有意義。因此本文以 第二火中的拔長過程為例，采用def0rm-3d有限元軟件進(jìn)行研究。以 拔長過程中某一中間尺寸585 mmx615 mmx 2 000 mni為初始毛坯。 參考文獻(xiàn)8獲得該材料在不同溫度、應(yīng)變和應(yīng)變率下的連續(xù)變形的 流變應(yīng)力模型，導(dǎo)入到def0rm-3d的預(yù)處理模塊中?？紤]到木文研究 對(duì)象的變形量大，通過控制網(wǎng)格的最大邊長和故大最小網(wǎng)格邊長的比 例來控制網(wǎng)格總數(shù)的生成，當(dāng)變形量超過設(shè)定值時(shí)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格重劃, 生成新的高質(zhì)量網(wǎng)格，并對(duì)主要變形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，建立有

8、限元 模型如圖3所示。模具初始溫度和環(huán)境溫度均為20°c,剪切摩擦系 數(shù)為0. 3,工件與砧鐵及環(huán)境間的傳熱系數(shù)分別為11和0. 02 n/s n）m°c。 按圖4所示的流程圖實(shí)現(xiàn)連續(xù)鍛造過程的模擬。每次鍛打時(shí)均采用現(xiàn)有設(shè)備的最大打擊能量，為獲得較明顯的變 形規(guī)律，每個(gè)位置鍛打5錘。為了減小料寬比的差杲對(duì)伸長量的影響， 鍛件采用90。-90°的翻轉(zhuǎn)方式，不同下砧寬度鍛造吋，按上砧計(jì)算 的絕對(duì)送進(jìn)量均選擇0. 8w,取整后送進(jìn)量定為265 mine4. 2結(jié)果及分析（1）表面溫度場分析圖5所示為采用不同工藝方法鍛造后鍛件表面溫度場分布情況。 可見隨著下砧寬度的增大，

9、坯料表面的低溫區(qū)增大；fm法表面出現(xiàn) 大片的低溫區(qū)。這是因?yàn)殄懺爝^程中，鍛件的下表面與下砧接觸，接 觸面積越大，散熱速度越快。<!-endprint-> <!-startprint->（2）應(yīng)力分析在坯料截面的水平中心線上均勻選取20個(gè)點(diǎn)，圖6所示為這些 點(diǎn)在水平面沿鍛件橫向(x向)和軸向(z向)的應(yīng)力分布情況。 由圖6 (a)可知，在截面水平中心線上，兩端點(diǎn)(表面點(diǎn)：1點(diǎn)、 20點(diǎn))橫向應(yīng)力為0,向中心點(diǎn)(10點(diǎn)、11點(diǎn))逐漸變化：下砧寬 越大，中心點(diǎn)橫向壓應(yīng)力越大,下砧寬越小，中心點(diǎn)橫向拉應(yīng)力越大。 由圖6 (b)可知，下砧寬越大，各點(diǎn)的軸向應(yīng)力值越小。兩端點(diǎn)的 軸

10、向拉應(yīng)力最大，向中心點(diǎn)逐漸減小。采用fm法時(shí)，心部獲得橫向 壓應(yīng)力和軸向壓應(yīng)力，坯料心部出現(xiàn)三向壓應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)鍛合坯料心 部的缺陷非常有利。(3) 鍛造力分析圖7所示為沿鍛件軸向送進(jìn)鍛打吋，各工位所產(chǎn)生的鍛打力，其 中17工位為第一趟鍛打，8-14 1位為將鍛件翻轉(zhuǎn)90。時(shí)的第二 趟鍛打。由圖7可見，采用上下等寬的平砧鍛造時(shí)載荷最小，隨著下 砧寬度的增大，鍛造力隨之增大。同趟鍛打過程中，因?yàn)殄懠瞬?金屬流動(dòng)約束力較小，鍛打端部時(shí)的鍛造力也相對(duì)較小。第二趟鍛打 時(shí)，由于溫度降低而使得鍛造力有所增加。上下砧等寬與fm法相比， 其鍛造負(fù)荷小1/41/3。(4) 鍛造效率分析鍛件伸長量與變形前坯料長

11、度z比定義為伸長率。鍛件翻轉(zhuǎn)3次 完成鍛造后的伸長率如圖8所示。由圖可知，下砧寬為330 mm吋， 鍛件伸長率最大，為13. 3%,其次是砧寬為400 mm、500 mm的情況, fm方法的伸長率最小，僅為7. 9%。即上下砧等寬時(shí)，拔長效率最高， fm法效率最低。綜上所述，雖然fm法鍛造時(shí)有利于獲得三向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)， 但從鍛件表面溫度場、鍛造力和鍛造效率來看，仍然應(yīng)選擇上下砧等 寬的鍛造工藝方法。5結(jié)論(1) 結(jié)合企業(yè)實(shí)際鍛造及加熱設(shè)備情況，制定了某35crmo鋼船 用中間軸長軸類大鍛件四火次鍛造成形的鍛造工藝。(2) 通過多工步連續(xù)指令流程，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)鍛造過程的def0rm-3d 有限元

12、數(shù)值模擬。(3) 通過中間軸拔長工藝的分析，確定選用上下砧等寬的鍛造工藝方法，有利于提高鍛造效率，降低鍛造力，改善表面溫度分布。 參考文獻(xiàn)1 中島浩衛(wèi)，渡邊和夫等.大型熱間自由鍛造時(shí)內(nèi)部變形特性j塑性七加工，1981,22 (246)：697-7302 曹起曝，葉紹英，王順龍等.fm法鍛造時(shí)變形規(guī)律的云紋法模擬研究j大型鑄鍛件，1987,(2)：14-233 謝冰，曹起鑲等.寬砧強(qiáng)壓鍛造效果的常溫模擬實(shí)驗(yàn)研究j大型鑄鍛件，1987,(2)： 24-304 劉助柏，朱繼武.新拔長理論工藝參數(shù)的量值匹配與確定j機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1994,30 (5)：83-865 dudra s p. im y t analysis of void closure in open-die forging j. int. j. mach. tools manufacture. 1990, 30( 1 )： 65-756 park c y, yang d y. modeling o