船用螺旋槳軸鍛造工藝研究

蘇繼偉 許燕燕

(中冶京誠(營口)裝備技術(shù)有限公司，遼寧115004)

船用鍛件大體分為主機(jī)鍛件、軸系鍛件和舵系鍛件三大類。主機(jī)鍛件主要包括曲軸、連桿和十字頭等。軸系鍛件主要有推力軸、中間軸和艉軸等。舵系鍛件主要有舵桿、舵柱和舵銷等。近些年以來，隨著世界船舶工業(yè)的迅速發(fā)展，船用鍛件規(guī)格越來越大，技術(shù)要求越來越高，生產(chǎn)難度也越來越大。從鍛造工藝角度來講，曲軸、舵桿的生產(chǎn)難度較大，特大型軸類鍛件次之。而大型鋼錠中存在非金屬夾雜物、氣體、偏析、中心帶粗晶、孔洞和疏松等缺陷，并隨著鋼錠噸位和截面積的增加，與金屬結(jié)晶過程有關(guān)的非金屬夾雜、偏析、疏松組織和縮孔等缺陷越明顯。大型鍛件質(zhì)量控制的核心問題是壓實(shí)孔洞性缺陷，改變非金屬夾雜的分布和擴(kuò)散偏析以及防止表面開裂。

1 化學(xué)成分

各船級社規(guī)范對鍛件化學(xué)成分的要求雖有所不同，但差別不大。以CCS船級社規(guī)范為例，研究成型過程。

船用螺旋槳軸的化學(xué)成分如表1所示。

表1 螺旋槳軸化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of propeller shaft (mass fraction, %)

生產(chǎn)中要盡可能降低P、S含量及各殘余元素含量。對C、Si、Mn的含量應(yīng)限定范圍，特別是船體結(jié)構(gòu)用鍛件的C含量不應(yīng)過低，否則將影響鍛件的強(qiáng)度。要采用有效的工藝措施，提高鋼水純凈度和表面質(zhì)量，減少鋼錠的偏析、縮孔和疏松，降低氫、氧等氣體含量。

2 螺旋槳軸技術(shù)要求

2.1 力學(xué)性能要求見表2。

表2 螺旋槳軸力學(xué)性能Table 2 The mechanical property of propeller shaft

2.2 鍛件表面質(zhì)量及超聲波探傷檢查應(yīng)符合以下要求：

(a)不允許白點(diǎn)、裂紋、縮孔、折疊等缺陷；

(b)鍛件中心距1/3半徑處不允許有單個(gè)大于?3 mm的缺陷，其他區(qū)域內(nèi)不允許有單個(gè)大于?6 mm缺陷；

(c)兩個(gè)最大缺陷之間的距離應(yīng)大于20 mm，缺陷的長度應(yīng)小于10 mm。

2.3 鋼錠采用電爐冶煉+精煉爐精煉+真空脫氣+真空澆注

3 螺旋槳軸鍛造工藝特點(diǎn)

螺旋槳軸的零件圖如圖1所示。

圖1 螺旋槳軸零件圖Figure 1 The part drawing of propeller shaft

螺旋槳軸鍛造的主要特點(diǎn)是法蘭的直徑很大，而且軸身的長度很長，根據(jù)鍛件形狀并結(jié)合工廠現(xiàn)有液壓機(jī)的工輔具情況確定了三種鍛造方案：

(1)方案一，采用800 mm上平砧和下平臺壓實(shí)工藝；

(2)方案二，采用900 mm上下V型砧壓實(shí)工藝；

(3)方案三，不采用壓實(shí)工藝，直接用650 mm上平砧下V型砧拔長。

采用模擬軟件deform-3d對這三種方案進(jìn)行模擬，三種方案的模型如圖2所示。三種方案的應(yīng)力分析如圖3～圖5所示，選取距鍛件端面400 mm的橫截面，壓一道次作應(yīng)力分析。從圖中可以看出，三種方案均受橫向拉應(yīng)力，第一種和第二種方案中心所受橫向拉應(yīng)力較小。三種方案在鍛造過程中均存在軸向拉應(yīng)力，第一種和第二種方案軸向拉應(yīng)力差不多，但第二種方案存在軸向拉應(yīng)力的區(qū)域較小。所以，第二種方案的應(yīng)力狀態(tài)較好。

為獲得良好的鍛件質(zhì)量，對鍛件進(jìn)行鍛造時(shí)，要求鍛透整個(gè)鍛件。一般認(rèn)為，當(dāng)鍛件心部等效應(yīng)變達(dá)到0.2時(shí)，鍛件被鍛透[1]。從圖6中可以看出第一種和第三種方案中心位置的等效應(yīng)變?yōu)?.18和0.02，而第二種方案中心位置的等效應(yīng)變?yōu)?.3。第二種方案鍛造后鍛件心部的等效應(yīng)變值最大，對提高鍛件心部質(zhì)量最有利。因此采用第二種方案，鍛件中心會產(chǎn)生較好的應(yīng)力狀態(tài)和較大的等效應(yīng)變來促使鋼錠中心疏松區(qū)得到壓實(shí)。

圖2 三種方案的模型Figure 2 The models for three solution

圖3 方案一鍛件應(yīng)力分布Figure 3 The stress distribution of the first solution

圖4 方案二鍛件應(yīng)力分布Figure 4 The stress distribution of the second solution

圖5 方案三鍛件應(yīng)力分布Figure 5 The stress distribution of the third solution

(a)方案一

(b)方案二

(c)方案三圖6 鍛件拔長等效應(yīng)變云圖Figure 6 The equivalent strain nephogram of forging after drawing out

4 鍛造工藝的設(shè)計(jì)

綜上所述，我們設(shè)計(jì)了90 t鋼錠鐓粗，采用KD法拔長鍛件的工藝方案：

第一火次：壓鉗口，倒棱，去錠底。

第二火次：鐓粗到高度1 850 mm，直徑2 350 mm，采用KD法拔長到直徑1 500 mm。

第三火次：下料、出成品。

鍛造加熱規(guī)范如圖7所示，第一火加熱溫度為1 220℃，保溫時(shí)間為8 h，第二火加熱溫度為1 250℃，保溫時(shí)間為15.5 h，第三火加熱溫度為1 220℃，保溫時(shí)間為8 h。

5 力學(xué)性能結(jié)果

由表3可知，采用方案二鍛造，鍛后熱處理后冒口端和水口端性能符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果合格。

圖7 鍛造加熱規(guī)范Figure 7 The forging heating specification

表3 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 The tested results of mechanical property

6 結(jié)論

(1)從力學(xué)性能的檢驗(yàn)結(jié)果可知，所選用的鍛造工藝是合理可行的。

(2)從應(yīng)力應(yīng)變的角度分析，采用第二種方案，鍛件中心區(qū)域可以獲得較好的應(yīng)力狀態(tài)和較大的等效應(yīng)變，鍛件質(zhì)量最好。

[1] 旭東，戴曉瓏，王國宣，等.基于剛塑性有限元的GFM精鍛鍛透性仿真[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27(2)：1-3.