漏盤反擠法工藝在軸類零件制造中的應用

漏盤反擠法工藝在軸類零件制造中的應用

種新工藝漏盤反擠法解決大型軸類鋼錠沉積錐問題的必要性在材料教學中，用于制造大型軸類零件的鋼炮，開口的沉積器一直是一個微妙的問題。由于解決不力，很容易發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，大型軸類零件的成本損失，給國民經(jīng)濟帶來重大損失。目前,大型軸類鍛件解決鋼錠沉積錐問題的常用方法是直接部分切除鋼錠水口端的沉積錐,然后采用大的變形量進行充分地鍛造壓實。以“一重”公司鐓拔205t鋼錠生產(chǎn)大型電站轉(zhuǎn)子的現(xiàn)行工藝為例說明如下:現(xiàn)行的鍛造工藝是先部分切除水口端的鋼錠,約26.06t(占整個鋼錠錠身的20%),然后采用3鐓3拔,充分地鍛造壓實鋼錠,前后需要3個火次。浪費了大量的金屬材料和能源,生產(chǎn)效率和企業(yè)效益極低,而且仍然殘留有部分沉積錐在鍛件內(nèi)部,很容易衍生內(nèi)部裂紋。因此,有待于找到一種更好的方法,既能妥善地解決大型軸類鍛件水口端的沉積錐問題,改善鍛件質(zhì)量,又能提高生產(chǎn)效率。為此提出一種新工藝漏盤反擠法。該工藝已申請專利,專利號為:200710064612.7。1優(yōu)控丟失工藝的內(nèi)容1.1擠壓孔替代上沖突子工藝流程傳統(tǒng)的鐓粗工藝是將鋼錠放在上下砧子之間進行鐓壓,漏盤反擠法是在此基礎之上,用一塊帶有擠壓孔的上漏盤替代上砧子,具體工藝的模具布置如圖1所示。中間是鋼錠,上下兩部分布置的是模具,其中上模是帶有擠壓孔的上漏盤,下模是帶有鉗把孔的下漏盤。1.2上漏盤擠壓孔孔徑上漏盤是一個圓柱形的砧子,中間有一個擠壓孔,如圖2所示。其外徑?1依據(jù)所鐓壓鋼錠的外徑而定,一般比鋼錠外徑大700mm～800mm,上漏盤整體高度1600mm。上漏盤擠壓孔孔徑?2依據(jù)鋼錠水口端沉積錐的大小而定,具體確定方法如圖3所示。沉積錐的錐底直徑和鋼錠的錠底直徑相等,為AB線段,沉積錐的高度MN為鋼錠錠身高度PN的1/5～1/3,錠身的下部分由于靠近錠底質(zhì)量較差,在實際生產(chǎn)中需沿CD線切除一部分,具體切除高度QN依據(jù)生產(chǎn)實際而定,由此得到的EF,即為上漏盤擠壓孔的孔徑Φ2。擠壓孔的擠壓端設計成圓錐孔,如圖2所示,θ=17.5°,圓錐高度500mm。1.3口局部壓沉積錐的壓工序圖12實際進行漏盤反擠時,具體工藝過程為1)壓鉗口;2)倒棱;3)切水口;4)漏盤反擠鐓壓,用上漏盤對鋼錠進行鐓壓,鋼錠水口端的沉積錐受到壓擠從上漏盤的擠壓孔中反擠出去,具體下壓的高度由鋼錠體內(nèi)沉積錐的高度MQ而定,約為鋼錠錠身高度PN的1/5～1/3,如圖3所示,當反擠出的金屬高度接近MQ時,即完成鐓壓工序;5)切除從擠壓孔擠出的金屬,即切除沉積錐。上述工藝過程,既能去掉沉積錐又較傳統(tǒng)工藝節(jié)省金屬材料和能源,徹底地排除了大型軸類鍛件體內(nèi)遺留沉積錐衍生內(nèi)裂紋的可能性。2現(xiàn)場實驗的基本情況為了研究漏盤反擠壓工藝的正確性和可行性,在中國“一重”公司對該工藝進行了現(xiàn)場實驗。實驗證明,漏盤反擠壓工藝可以完滿地解決大型軸類鍛件水口端的沉積錐問題。2.1上漏盤擠壓孔孔徑實驗用的工件材料采用30Cr2Ni4MoV,工件截面2200mm×2200mm,截面4個斜角350mm×350mm,工件高度3150mm。依據(jù)上述沉積錐高度和上漏盤擠壓孔孔徑的計算方法,得出此工件內(nèi)部的沉積錐高度約為400mm,工件所需的上漏盤擠壓孔孔徑約為1000mm。以該擠壓孔孔徑尺寸設計出了下述上漏盤的擠壓孔。試驗用的上漏盤材料采用5CrMnMo,上漏盤外徑?3300mm,高度900mm,中間的擠壓孔孔徑為?1000mm。上漏盤的形狀見圖4所示。2.2上漏盤的安裝位置漏盤反擠壓和傳統(tǒng)的鐓粗工藝相似,只是用上漏盤替代了鐓粗工藝的上砧子。具體操作時,把上漏盤安裝在上砧子的位置。工件下面用下砧子,如果工件帶有鉗把,則下面必須用帶有鉗把孔的下漏盤替代下砧子。工件放在中間,水口端朝上,便于上漏盤擠出水口端的沉積錐。本次實驗過程中,上漏盤向下壓600mm。隨著上漏盤向下運動,水口端的沉積錐被逐步擠壓出來。2.3實驗結(jié)果分析在本次實驗中,工件水口端的沉積錐被擠出394mm,擠出的凸臺充滿整個上漏盤的擠壓孔,凸臺直徑?=1000mm,實驗結(jié)果如圖5所示。從所得到的實驗數(shù)據(jù)看,擠出的沉積錐394mm基本上和計算的工件內(nèi)部的沉積錐深度400mm相等。這說明,漏盤反擠壓工藝可以將工件內(nèi)部的沉積錐完全擠出來,工藝能夠十分完滿地解決工件水口端的沉積錐問題。3設置數(shù)值模擬數(shù)值模擬作為一種研究手段,用來指導理論試驗和生產(chǎn)實踐非常有效。通過DEFORM3D數(shù)值模擬軟件,利用剛塑性有限元模型,對漏盤反擠法工藝擠壓用于生產(chǎn)大型電站轉(zhuǎn)子的205t鋼錠進行了模擬,進一步從擠壓過程、定點追蹤及載荷分析等3個方面對該工藝進行了研究,充分證明了該工藝的正確性和可行性。3.1材料模型及有限元模型幾何模型在Pro/ENGINEER中建立,如圖6所示,工件建模是取鋼錠在壓鉗口并倒棱之后又切除錠底200mm時的尺寸,工件錠身高度為3350mm,直徑為2600mm,以該尺寸估計沉積錐留在該工件錠身中的高度為470mm,沉積錐錐底直徑為1189mm;鉗把高度為1600mm,直徑為1300mm。上下漏盤外徑均設計為3500mm,高度為1600mm,上漏盤擠壓孔孔徑為1000mm,擠壓孔的圓錐角θ為17.5°,圓錐高度500mm,下漏盤鉗把孔孔徑為1620mm。建完模后再導入DEFORM3D軟件的前處理器中。由于上下漏盤在整個鐓壓反擠的過程中其變形完全可以忽略不計,所以視為剛體。工件材料采用DIN-16CrMo4材料,工件網(wǎng)格劃分后得到24391個節(jié)點、110508個四面體單元;兩個漏盤材料均采用AISI-D3材料,上漏盤網(wǎng)格劃分后得到8418個節(jié)點、37072個四面體單元,下漏盤網(wǎng)格劃分后得到8477個節(jié)點、37335個四面體單元。有限元模型見圖7所示。兩種材料的材料模型均采用剛塑性有限元模型,流變應力模型直接選用DEFORM3D軟件材料庫中現(xiàn)有材料的模型及數(shù)據(jù)。根據(jù)實際鐓壓的情況,賦予上漏盤沿工件軸向的速度0.3mm/s向下鐓壓,下漏盤約束不動。工件和上下漏盤之間的接觸采用剪切摩擦模型。模擬過程中出現(xiàn)網(wǎng)格畸變則采用自動網(wǎng)格重劃分。3.2壓縮劑的量測模擬總共進行了290步,每步向下鐓壓2.5mm,一共向下鐓壓725mm。圖8給出了模擬的漏盤反擠壓過程,圖8a是第50步的擠壓情況,圖8a～圖8e是各相隔50步的擠壓情況,圖8f是第290步的擠壓情況,第290步反擠出的金屬高度為465.4mm,與建模時所計算的沉積錐高度470mm幾乎相等,說明應用漏盤反擠法向下鐓壓725mm幾乎可以完全將高度為470mm的沉積錐擠出來,從定量的角度證明了漏盤反擠法這一工藝的正確性。3.3追蹤過程中點的初始位置和追蹤過程中的位置將工件剖分成1/4圖像,對擠壓過程中工件心部金屬進行定點追蹤,如圖9所示。圖9中給出了定點追蹤時點P1和P2的初始位置和追蹤過程中的位置。從圖9中可以很清晰地觀察金屬流動的過程和判斷金屬流動的歷史,圖像顯示了被擠壓出來的金屬正是工件心部的沉積錐部分,直觀地證明了漏盤反擠法這一工藝的正確性。3.4實驗結(jié)果與分析模具所受到的載荷是判斷漏盤反擠法這一工藝是否可行的重要方面,如果只是片面地強調(diào)能擠出沉積錐來,而不從客觀的角度判斷工藝的可行性,即如果擠出沉積錐所要求的載荷過大,則工藝也是失敗的。利用DEFORM3D軟件的載荷預報功能對漏盤反擠法這一工藝的載荷要求進行了模擬,如圖10所示。從圖10中可知,擠壓所需的最大載荷為17.1×106N,合計不到2000t。這說明應用漏盤反擠法擠壓205t的鋼錠所需載荷不到2000t,這在實際生產(chǎn)中顯然是可行的。定量地證明了漏盤反擠法這一工藝在實際生產(chǎn)中的可行性。從圖10中還可以看出,反擠壓剛開始階段所需的載荷較小,隨著反擠壓的進行,所需載荷越來越大,當反擠壓進行到后期,由于此時的金屬流動趨于穩(wěn)定,所以后期所需的載荷也趨于穩(wěn)定。4采用33拔3火次沉積錐以鐓拔205t鋼錠生產(chǎn)大型電站轉(zhuǎn)子為例說明工藝的特點及效益?，F(xiàn)行的鍛造工藝是先部分地切除鋼錠的水口端約26.06t(占整個錠身的20%),然后采用3鐓3拔3火次。這種解決沉積錐問題的辦法浪費材料和能源,生產(chǎn)效率和企業(yè)效益極低,尤其是仍然殘留有絕大部分沉積錐在鍛件內(nèi)部,這種潛在的危險很容易繼續(xù)衍生內(nèi)部裂紋。如果采用本文的漏盤反擠工藝,則只需要切除極少部分水口端的鋼錠,約6.5t(占整個錠身的5%),而且只需要一鐓一拔一火次,將節(jié)省大量的材料和能源。5漏盤反擠壓解決了大型軸類器件自流體的沉積錐裂紋的可能性,提高了生產(chǎn)效率和企業(yè)效益1)漏盤反擠新工藝以上漏盤替代傳統(tǒng)鐓粗