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、節約能耗、改善鍛件成形質量，根據某船用長軸類大鍛件的實際尺寸，結合企業實際鍛造及加熱設備情況制定了鍛造工藝，并基于有限元數值模擬軟件DEFORM-3D研究了鍛造工藝方法，針對固定上砧寬度而選擇寬度相同或寬度更大的下砧，分析了鍛件表面溫度場、截面應力分布以及鍛造力、拔長效率的情況。結果表明，采用等寬（330mm）的上下砧時，鍛造效率、溫度場分布均優于其它情況，所需的鍛造力也較小，有利于實現長軸類大鍛件的鍛造成形。

關鍵詞：長軸類大鍛件；鍛造工藝；拔長效率；砧寬

1 引 言

船用中間軸在工作過程中受旋轉產生離心力以及傳遞扭矩和自重產生的彎曲力作用，所以對其質量提出了較高的要求。鍛造加工時，不僅要選用合理的工藝和參數以獲得合格的鍛件形狀和尺寸，還要結合長軸類大鍛件的加工特點，選擇合適的鍛造工藝方法，盡量提高拔長工藝的效率。

前人已經利用物理模擬或數值模擬的方法對長軸類大鍛件鍛造工藝路線和參數進行了大量的研究，日本學者中島等人用塑料泥對平砧拔長、FM法進行了對比研究[1]，研究了兩種拔長方法下變形體內的應力應變特性，以及鍛造方法、應力應變條件對孔洞壓合的影響。清華大學曹起驤等用密柵云紋對FM法[2]、平砧鍛造法[3]的應力應變分布進行了對比研究。為了控制坯料截面上橫向拉應力的出現，燕山大學劉助柏教授提出了同時控制料寬比及砧寬比的LZ鍛造法[4]，Dudra and Im[5]、Park and Yang[6]模擬分析了平砧、FM法（寬平臺下砧）的拔長過程。然而，這些研究基本上是針對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際鍛造是一個多工序、多次進給和翻轉的多工步連續鍛造工程，不同工步之間相互影響，如果后續工藝選擇不當，有可能使前一工序成形的鍛件發生開裂。因此，如何按實際鍛造過程進行模擬分析，成為鍛造加工的熱門研究問題。

本文結合現有設備情況，針對固定寬度的上砧，模擬采用不同下砧寬度時鍛件的表面溫度分布、鍛造力、拔長效率及應力分布，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合金結構鋼，鍛件重量約為5.736噸。由于所用鍛造設備為4T SDY3.4自由鍛電液錘，考慮到產品的重量和變形量，需采用4火次鍛造該產品。按每火的燒損率取2%計算，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有縮孔或偏析等有害缺陷。鋼錠可用的錠身部分的實際重量約為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799，計算鍛件的鍛造比[1]：中間軸法蘭段的總鍛造比K1=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能保證金屬在該溫度范圍內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，鍛造溫度范圍應盡可能取得寬一些，以便減少鍛造火次，降低消耗，提高生產效率并方便操作等。按35CrMo合金結構鋼選取始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為800℃。對于溫度頭，文獻[7]推薦選取20～50℃，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℃。

根據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鍛造過程中占有較大的比例，對鍛件質量影響也較大，因此本文選擇拔長工藝進行研究。根據實際使用設備情況，其上砧固定在動力頭上，為不可拆卸寬W=330 mm的平砧，下砧可以根據生產需要拆卸替換。本文研究下砧為330 mm（普通平砧鍛造法）、400 mm、500 mm和下砧為寬平臺（FM鍛造法）4種情況下的鍛造效率、溫度場分布、鍛造力和應力分布情況，從而選擇適合中間軸成形的工藝方法。

4.1 有限元模型

受設備噸位影響，當坯料截面尺寸較大時，壓方和拔長工序的變形較困難，研究較大尺寸截面時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DEFORM-3D有限元軟件進行研究。以拔長過程中某一中間尺寸585 mm×615 mm× 2 000 mm為初始毛坯。參考文獻[8]獲得該材料在不同溫度、應變和應變率下的連續變形的流變應力模型，導入到DEFORM-3D的預處理模塊中?？紤]到本文研究對象的變形量大，通過控制網格的最大邊長和最大最小網格邊長的比例來控制網格總數的生成，當變形量超過設定值時自動進行網格重劃，生成新的高質量網格，并對主要變形區域進行網格細化，建立有限元模型如圖3所示。模具初始溫度和環境溫度均為20℃，剪切摩擦系數為0.3，工件與砧鐵及環境間的傳熱系數分別為11和0.02 N/s mm℃。按圖4所示的流程圖實現連續鍛造過程的模擬。

每次鍛打時均采用現有設備的最大打擊能量，為獲得較明顯的變形規律，每個位置鍛打5錘。為了減小料寬比的差異對伸長量的影響，鍛件采用90°-90°的翻轉方式，不同下砧寬度鍛造時，按上砧計算的絕對送進量均選擇0.8W，取整后送進量定為265 mm。

4.2 結果及分析

（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?？梢婋S著下砧寬度的增大，坯料表面的低溫區增大；FM法表面出現大片的低溫區。這是因為鍛造過程中，鍛件的下表面與下砧接觸，接觸面積越大，散熱速度越快。

（2）應力分析

在坯料截面的水平中心線上均勻選取20個點，圖6所示為這些點在水平面沿鍛件橫向（X向）和軸向（Z向）的應力分布情況。

由圖6（a）可知，在截面水平中心線上，兩端點（表面點：1點、20點）橫向應力為0，向中心點（10點、11點）逐漸變化：下砧寬越大，中心點橫向壓應力越大，下砧寬越小，中心點橫向拉應力越大。由圖6（b）可知，下砧寬越大，各點的軸向應力值越小。兩端點的軸向拉應力最大，向中心點逐漸減小。采用FM法時，心部獲得橫向壓應力和軸向壓應力，坯料心部出現三向壓應力狀態，對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鍛打時，各工位所產生的鍛打力，其中1～7工位為第一趟鍛打，8～14工位為將鍛件翻轉90°時的第二趟鍛打。由圖7可見，采用上下等寬的平砧鍛造時載荷最小，隨著下砧寬度的增大，鍛造力隨之增大。同一趟鍛打過程中，因為鍛件端部金屬流動約束力較小，鍛打端部時的鍛造力也相對較小。第二趟鍛打時，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，其鍛造負荷小1/4～1/3。

（4）鍛造效率分析

鍛件伸長量與變形前坯料長度之比定義為伸長率。鍛件翻轉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時，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，拔長效率最高，FM法效率最低。'

綜上所述，雖然FM法鍛造時有利于獲得三向壓縮的應力狀態，但從鍛件表面溫度場、鍛造力和鍛造效率來看，仍然應選擇上下砧等寬的鍛造工藝方法。

5 結 論

（1）結合企業實際鍛造及加熱設備情況，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）通過多工步連續指令流程，實現了連續鍛造過程的DEFORM-3D有限元數值模擬。

（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

[1] 中島浩衛， 渡邊和夫等. 大型熱間自由鍛造時の內部變形の特性[J]. 塑性と加工， 1981， 22（246）： 697-730

[2] 曹起驤， 葉紹英， 王順龍等. FM法鍛造時變形規律的云紋法模擬研究[J]. 大型鑄鍛件， 1987， （2）： 14-23

[3] 謝冰， 曹起驤等. 寬砧強壓鍛造效果的常溫模擬實驗研究[J]. 大型鑄鍛件， 1987， （2）： 24-30

[4] 劉助柏， 朱繼武. 新拔長理論工藝參數的量值匹配與確定[J]. 機械工程學報， 1994， 30（5）： 83-86

[5] Dudra S. P. Im Y. T. Analysis of void closure in open-die forging [J]. Int. J. Mach. Tools Manufacture.1990，30（1）： 65-75

[6] Park C Y， Yang D Y.Modeling of void crushing for large-ingot hot forging[J].Journal of Materials Processing Technology， 1999， 67（1-3）： 195-230

[7] 姚澤坤. 鍛造工藝學與模具設計[M]， 西安： 西北工業大學出版社， 2009

[8] 張斌， 張鴻冰. 35CrMo結構鋼的熱變形行為[J]. 金屬學報， 2004， 40（10）： 1109-1114