上平下V形砧鍛造階梯軸關(guān)鍵技術(shù)的研究

王連東 梁 晨 王金寶 劉唯唯

1.燕山大學(xué),秦皇島,066004 2.中原特鋼股份有限公司,濟(jì)源,454692

0 引言

在液壓機(jī)上鍛造圓軸鍛件的工藝有平砧拔長(zhǎng)后滾圓和型砧直接拔長(zhǎng)兩種。關(guān)于平砧拔長(zhǎng)矩形截面坯料的研究,在工藝?yán)碚摷澳M技術(shù)等方面均取得了大量的成果[1-4],生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟。型砧拔長(zhǎng)圓軸常用的方法有上下型砧拔長(zhǎng)、上平下V形砧拔長(zhǎng)[5]。上下型砧拔長(zhǎng)應(yīng)用較多,工藝參量適當(dāng),鍛坯中心處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),有利于軸心區(qū)域的壓實(shí),而且軸線(xiàn)不會(huì)偏移。一般情況下,使用上平下V形砧拔長(zhǎng)圓軸時(shí),最大變形區(qū)不在坯料中心,鍛透性比較差,坯料不斷翻轉(zhuǎn)后會(huì)使軸線(xiàn)偏移[5]。

鍛造工作輥坯、支承輥坯、轉(zhuǎn)子鍛坯等階梯形的軸類(lèi)鍛件時(shí),先用平砧將鋼錠鍛造至輥身尺寸,再拔長(zhǎng)輥身兩端的大小臺(tái)階。對(duì)臺(tái)階尺寸差值大的鍛件,若采用上下型砧拔長(zhǎng),在鍛造中需更換上砧,鍛造時(shí)間長(zhǎng),影響鍛造溫度,甚至需要增加加熱次數(shù);若采用上平下V形砧拔長(zhǎng),不需更換上砧,鍛造時(shí)間短,但涉及如何保證變形部分處于較好的應(yīng)力狀態(tài),中心區(qū)域具有較好的鍛透性,同時(shí)軸線(xiàn)的偏移量控制在要求的范圍內(nèi)等關(guān)鍵問(wèn)題。目前,關(guān)于此方面的研究尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)上平下V形砧拔長(zhǎng)階梯軸鍛件展開(kāi)了研究,在分析變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變的基礎(chǔ)上,提出了同時(shí)保證變形區(qū)鍛造性能與消除軸線(xiàn)偏移的關(guān)鍵技術(shù),并針對(duì)具體的鍛件確定了鍛造工藝參數(shù),進(jìn)行了不同情況下的數(shù)值模擬,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)。

1 變形分析

截取上平下V形砧之間的橫截面進(jìn)行變形分析,如圖1所示,圖中,x向?yàn)閷挾确较?y向?yàn)楦叨确较颉Ｑ厣舷抡枧c坯料接觸線(xiàn)的邊緣向內(nèi)作與其成45°夾角的斜線(xiàn),形成的 Ⅰ區(qū)abc、def、ghi為難變形區(qū)(剛性區(qū)),處于三向非常大的壓應(yīng)力狀態(tài),變形很小。在剛性區(qū)的直接作用下,引起坯料外側(cè) Ⅱ區(qū)acmf d、bcnih、fegij產(chǎn)生塑性變形,Ⅱ區(qū)稱(chēng)為主動(dòng)變形區(qū),該區(qū)內(nèi)x、y方向應(yīng)力為壓應(yīng)力。受到 Ⅱ區(qū)的拉動(dòng)作用,坯料中間的 Ⅲ區(qū)cmf jin產(chǎn)生塑性變形,Ⅲ區(qū)稱(chēng)為被動(dòng)變形區(qū),該區(qū)內(nèi)靠近中心的區(qū)域內(nèi)的橫向應(yīng)力為拉應(yīng)力。隨著坯料的轉(zhuǎn)動(dòng),某瞬時(shí)的剛性區(qū) Ⅰ隨后將變成主動(dòng)變形區(qū)。軸向(z向)的應(yīng)力取決于砧寬比的大小,砧寬比較小時(shí)靠近 x軸的區(qū)域內(nèi)存在軸向拉應(yīng)力。

圖1 橫截面上變形

由圖1可知：壓下量較小時(shí),坯料中心的被動(dòng)變形區(qū)大,軸心區(qū)域存在較大的橫向拉應(yīng)力,Ⅲ區(qū)比 Ⅱ區(qū)的變形小,不利于缺陷的壓實(shí);壓下量較大時(shí),坯料中心的 Ⅲ區(qū)縮小,橫向拉應(yīng)力減小甚至轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,Ⅲ區(qū)比 Ⅱ區(qū)的變形大,有利于缺陷的進(jìn)一步壓實(shí)。

2 上平下V形砧拔圓關(guān)鍵技術(shù)

2.1 操作原則

(1)為保證軸心區(qū)域的鍛造性能,壓下率應(yīng)大于10%。

(2)為消除變形部分的軸線(xiàn)偏移,坯料拔長(zhǎng)一周中的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)應(yīng)為偶數(shù),前后半周的首次壓下量數(shù)值近似相等,而且前后半周拔長(zhǎng)時(shí)上下砧之間的距離分別保持不變。

(3)為保證坯料轉(zhuǎn)動(dòng)后壓下時(shí)不壓偏,壓下量與轉(zhuǎn)動(dòng)角度要匹配得當(dāng)。

2.2 壓下量

壓下量的大小除直接影響坯料中心區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)外,還影響拔長(zhǎng)效率,壓下量小則需要的變形道次多。在保持轉(zhuǎn)動(dòng)角度不變的前提下,壓下量過(guò)大則坯料轉(zhuǎn)動(dòng)后壓縮時(shí)易發(fā)生壓偏,導(dǎo)致軸線(xiàn)偏移量增大。數(shù)值模擬及生產(chǎn)實(shí)踐表明,每次變形的相對(duì)壓下量控制在10%～12%較好。

2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)角度

上平下V形砧拔長(zhǎng)中,每周轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)n應(yīng)為偶數(shù),生產(chǎn)中一般取 6、8、10、12 、18,每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為

圖2所示為拔長(zhǎng)圓軸時(shí)橫截面的變化情況,變形前初始圓半徑為R0,上下砧間距初始值為H0,第一次壓下后變?yōu)镠 1,壓下率為

為保證坯料繞中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)一次后壓下時(shí)不發(fā)生壓偏,上平砧接觸面下的ac邊(圖2b)須轉(zhuǎn)過(guò)垂直對(duì)稱(chēng)線(xiàn),轉(zhuǎn)角應(yīng)大于θ0,θ0由下式求取：

坯料拔長(zhǎng)半周后,橫截面已經(jīng)變成多邊形,當(dāng)量圓直徑為2R1,后半周變形時(shí)的上下砧初始間距為。同理,為防止坯料轉(zhuǎn)動(dòng)后壓偏,轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大于θ1,θ1由下式求取：

圖2 橫截面變化簡(jiǎn)圖

式中,m為拔長(zhǎng)時(shí)與坯料展寬有關(guān)的參數(shù),一般在0.55～0.85之間取值。

根據(jù)式(3)、式(5)計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值,取其大者作為拔長(zhǎng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,并圓整到式(1)要求的角度。

3 數(shù)值模擬

3.1 研究對(duì)象

圖3為φ1365mm支承輥坯(材料70Cr3Mo)鍛件簡(jiǎn)圖。先用上下平砧(砧子寬1200mm)拔長(zhǎng)至熱方1370mm,然后倒八方至1370mm,然后滾圓至φ1365mm。輥身兩側(cè)大小臺(tái)階先用平砧拔長(zhǎng)至φ1120mm,然后使用上平下V形砧拔長(zhǎng)：砧寬700mm,V形砧角 120°,開(kāi)口寬880mm。

圖3 φ1365mm支承輥鍛件圖

3.2 臺(tái)階拔長(zhǎng)工藝

根據(jù)操作原則,經(jīng)理論分析與計(jì)算,確定拔長(zhǎng)臺(tái)階共分為12個(gè)工步。前4個(gè)工步拔長(zhǎng)大臺(tái)階,各工步壓下后上下砧子的間距依次為830mm、745mm、685mm、630mm,每工步壓下 4次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng)45°;第 5工步滾圓,砧間距為 360mm,壓下12次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng) 30°;第 6工步拔長(zhǎng)端部,砧間距保持360mm不變,壓下8次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng)45°;第7工步至第10工步拔長(zhǎng)小臺(tái)階,砧間距依次為 535mm、475mm 、415mm、360mm,每工步壓下4次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng)45°;第11工步滾圓小臺(tái)階,砧間距保持 360mm不變,壓下 12次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng)30°;第12工步拔長(zhǎng)端部,砧間距保持360mm 不變,壓下8次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng) 45°。

3.3 數(shù)值模擬

根據(jù)上述拔長(zhǎng)臺(tái)階的工藝過(guò)程,運(yùn)用DEFORM軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。在模擬時(shí),將鍛件從輥身一半處剖開(kāi),僅分析其右側(cè)部分的變形。選取砧子送進(jìn)量一半處的橫截面,并在其上選取中心點(diǎn)P1和1/2半徑上位于x軸的點(diǎn)P 2及位于y軸的點(diǎn)P 3、P4(圖1)。模擬結(jié)果見(jiàn)表1,表中應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)值分別保留小數(shù)點(diǎn)后一位與三位。

表1 拔長(zhǎng)大臺(tái)階時(shí)模擬結(jié)果

3.3.1 模擬結(jié)果分析

(1)坯料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)較好。x向(橫向)除第1道次時(shí)P2點(diǎn)存在較小的拉應(yīng)力外,其他道次時(shí)均為壓應(yīng)力,而且壓應(yīng)力數(shù)值隨變形的增加而增大;z向(軸向)僅在第1道次、第4道次時(shí),軸心區(qū)域存在較小的拉應(yīng)力,其他道次時(shí)均為壓應(yīng)力,有利于中心壓實(shí)。

(2)坯料心部變形較好。第1道次時(shí),橫截面上變形差異大,P4點(diǎn)的等效應(yīng)變最小,僅為P3點(diǎn)的32.03%,中心點(diǎn)P1的等效應(yīng)變?yōu)镻3點(diǎn)等效應(yīng)變的57.81%;隨著變形的進(jìn)行,橫截面上各點(diǎn)的變形差異程度逐漸減小,第8道次時(shí),最小等效應(yīng)變達(dá)到最大值的83.11%;第16道次時(shí),中心點(diǎn)的等效應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到最大值的96.90%。表明中心區(qū)域的鍛透效果較好。

上平下V形砧拔長(zhǎng)小臺(tái)階與拔長(zhǎng)大臺(tái)階情況基本相同,坯料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)較好,而且等效應(yīng)力明顯增大,有利于進(jìn)一步壓實(shí)。

3.3.2 軸線(xiàn)偏移模擬及分析

在建立的三維數(shù)模中,選取輥身中面(左端面)中心點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)O0(x0,y0),選取鍛坯右端面中心點(diǎn)O1(x1,y1)作為觀測(cè)點(diǎn),計(jì)算出O1點(diǎn)相對(duì)O0點(diǎn)的初始偏移量x、y。在鍛造過(guò)程中,測(cè)量每次壓下后基準(zhǔn)點(diǎn)O0和觀測(cè)點(diǎn)O1的新坐標(biāo),計(jì)算出x、y方向的新偏移量,最后繪制出其變化軌跡。圖4所示為φ1365支撐輥右側(cè)大臺(tái)階由φ1120拔長(zhǎng)至φ815過(guò)程中變形部分軸線(xiàn)的偏移情況,圖中第一個(gè)點(diǎn)的數(shù)值為初始偏移量,后續(xù)每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值為相應(yīng)壓下道次的偏移量。由圖4可知：在壓下8次(完整一周)后,x、y方向的偏移量基本回到初始值;滾圓時(shí)壓下12次后,偏移量亦回到初始值;拔長(zhǎng)端部壓下8次后,偏移量同樣回到初始值。該結(jié)果說(shuō)明,按此工藝操作,軸線(xiàn)基本不偏。

圖4 觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的偏移

3.3.3 改變壓下量時(shí)的模擬

(1)增加第一周壓下量。保持拔長(zhǎng)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度不變,將第一周的壓下量增加至140mm,第二周壓下量減小至50mm。拔長(zhǎng)結(jié)束時(shí),由變形部分軸線(xiàn)的偏移情況(圖5)可知：第一周后,觀測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn) x、y方向的偏移量分別為43.83mm、89.23mm;第二周結(jié)束時(shí)x、y方向的偏移量分別為42.70mm、7.87mm;滾圓后,x、y方向的偏移量仍為39.34mm和73.71mm。

圖5 大壓下量時(shí)觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的偏移

(2)減小第一周壓下量。鍛造輥身右側(cè)大臺(tái)階時(shí),保持轉(zhuǎn)動(dòng)角度45°,將第一周壓下量減小至100mm,坯料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如表2所示。與表1結(jié)果相比可知：橫截面上的橫向應(yīng)力變差,第4道次時(shí)P1、P2點(diǎn)處存在較大的拉應(yīng)力,第8道次的橫向壓應(yīng)力數(shù)值較小;軸向始終存在拉應(yīng)力,其中第4道次、第8道次的最大軸向拉應(yīng)力超過(guò)等效應(yīng)力的 30%,數(shù)值較大,不利于中心區(qū)域的壓實(shí)。

表2 壓下量100mm時(shí)大臺(tái)階拔長(zhǎng)模擬結(jié)果

4 生產(chǎn)實(shí)踐

按表1給定的工藝參數(shù),中原特鋼股份有限公司使用上平下V形砧工藝鍛造了圖3所示的支承輥輥身兩側(cè)的臺(tái)階,生產(chǎn)4件,全部通過(guò)超聲波探傷,臺(tái)階拔長(zhǎng)后變形部分的軸線(xiàn)偏移量均小于20mm,滿(mǎn)足要求。

上下砧子之間的距離依次為 830mm、745mm、685mm、630mm,每工步壓下 4次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng)45°;第5工步滾圓,砧間距 360mm,壓下12次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng) 30°;第6工步拔長(zhǎng)端部,砧間距保持360mm不變,壓下8次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng)45°;第7工步至第10工步拔長(zhǎng)小臺(tái)階,砧間距依次為535mm、475mm 、415mm、360mm,每工步壓下4次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng)45°;第11工步滾圓小臺(tái)階,砧間距保持360mm不變,壓下12次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng) 30°;第12工步拔長(zhǎng)端部,砧間距保持360mm 不變,壓下8次,每次坯料轉(zhuǎn)動(dòng)45°。

5 結(jié)論

(1)提出了上平下V形砧拔長(zhǎng)圓軸的基本操作原則：壓下量大于10%;變形一周轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)為偶數(shù),前后半周的首次壓下量相等;轉(zhuǎn)動(dòng)角度應(yīng)與壓下量合理匹配。

(2)給出了上平下V形砧拔圓時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與相對(duì)壓下量的匹配關(guān)系,壓下量匹配得當(dāng),可以同時(shí)控制變形區(qū)鍛造性能與消除軸線(xiàn)偏移;保持轉(zhuǎn)動(dòng)角度不變,壓下量過(guò)大時(shí)軸線(xiàn)偏移量大,壓下量過(guò)小時(shí)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變差。

(3)模擬結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)踐同時(shí)證明,上平下V形砧拔長(zhǎng)圓軸的關(guān)鍵技術(shù)可行,按此制訂工藝,生產(chǎn)的鍛件經(jīng)超聲波探傷證實(shí)為合格,鍛造中變形部分的軸線(xiàn)偏移量可控制在要求值之內(nèi)。

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