四錘頭徑向鍛造裝置受力分析

牛 勇，張營杰，衛凌云，范玉林，房志遠，馮東曉

(金屬擠壓/鍛造裝備技術國家重點實驗室，中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著國民經濟的高速發展，交通運輸、船舶動力、電力電器和機械制造等行業對大型自由鍛件的質量提出了更高的要求，對于高精度高強度難變形合金長軸類鍛件的需求進一步加大。傳統的自由鍛造裝備包括鍛錘、鍛造壓力機等均利用上下型砧對坯料加載，坯料變形受鍛造溫度、鍛造速度的影響，在不同的鍛造工步出現不同的截面形狀和軸向變化，無法準確控制，嚴重影響著鍛造過程自動化的實現，無法高效快捷地鍛造出高精度、高強度大尺寸難變形軸類零件［1-6］。

在傳統自由鍛造壓機上采用四錘頭徑向鍛造裝置進行徑向鍛造是一種全新的自由鍛造工藝，對長軸類鍛件的鍛造而言，坯料軸向截面變化有規律、軸向變化可預測，易于實現自動化控制;坯料變形過程中承受三向壓應力，可以提高坯料塑性，改善成形鍛件內部微觀組織;可以減少鍛造加熱火次、提高生產效率，節約能源，特別適用于極端環境下使用的高強度難變形合金軸類件的鍛造［7］。

本文討論了四錘頭徑向鍛造裝置組成及技術特點，采用有限元分析軟件ABAQUS建立了25 MN四錘頭徑向鍛造裝置受力分析模型，并對計算結果進行了討論。

1 四錘頭徑向鍛造裝置組成及技術特點

1.1 四錘頭徑向鍛造裝置組成

圖1所示為一四錘頭徑向鍛造裝置，包括上砧座、下砧座、側砧座、垂頭、回程導軌、潤滑系統和錘頭冷卻系統等。加載時，上砧座在壓機作用下帶動錘頭向下運動，側砧受上砧座和下砧座作用力向下向中心方向運動對坯料進行加載;回程時，壓機帶動上砧座向上運動，側砧座沿回程導軌向上同時向兩側運動，圖2所示為該裝置原理。

1.2 四錘頭徑向鍛造裝置技術特點

(1)鍛件質量高。采用四錘頭鍛造裝置上進行鍛造時，鍛件整個截面會產生大的變形量，可以消除金屬鑄造組織的內部缺陷;金屬表面處于三向壓應力狀態，可以減少表面缺陷，增加合格鍛件的產出量。

(2)生產效率高。采用四錘頭鍛造裝置上進行鍛造時，坯料軸向截面變化有規律、軸向變化可預測，易于實現自動化控制;單次加載金屬塑性變形量大，這使得金屬能夠在最佳溫度范圍進行鍛造，減少加熱火次;與兩錘頭鍛造相比，采用四錘頭可以提高生產效率38%［7］。

2 25 MN四錘頭徑向鍛造裝置受力分析

2.1 有限元模型的建立

采用ABAQUS軟件建立有限元模型一般包括幾何模型建立、材料屬性定義、網格劃分、分析步建立、邊界條件和載荷確定、計算以及結果處理等。根據理論分析，25 MN四錘頭徑向鍛造裝置上下砧座A、B、C、D四處為應力較高區域;壓機達到滿噸位，側砧座離中心最遠時應力值最大，針對該工況對該裝置進行靜態受力分析，采用ABAQUS幾何建模模塊建立了該裝置幾何模型，如圖3所示。網格劃分質量的好壞直接影響求解精度和求解時間，不合理的網格甚至會導致求解過程的中斷，所以網格劃分應該是分析過程中需要重點注意的一個環節。運用ABAQUS強大而便捷的網格劃分功能，通過在模型上設置全局種子的方法合理地控制網格密度，在應力集中部位進行網格細分。ABAQUS軟件提供了數量眾多的單元種類以滿足各種分析類型的需要，模型采用C3D8R單元，即8節六面體線性減縮積分單元，在應力集中部位進行網格細化。

根據幾何模型和受力狀況的對稱性，取1/4模型進行有限元計算。根據實際工作情況，在對稱面進行對稱約束，在上下砧座和側砧接觸區域定義接觸，在上下砧座與壓機接觸區域進行Y向約束，在錘頭與鍛件接觸面施加面壓力，如圖3所示。

圖3 四錘頭徑向鍛造裝置有限元模型Fig.3 FEM of radial forging device with four dies

2.2 結果分析與討論

應力分布云圖如圖4所示。分析表明，上下砧座A、B、C、D四處為應力較大部位，上砧座A出最大應力為283 MPa，B處最大應力為177 MPa，下砧座C處應力為215 MPa，D處應力為115 MPa，其他部位應力都低于100 MPa。考慮上下砧座選用的材料和制造工藝，上下砧座設計滿足要求。

圖4 應力分布云圖Fig.4 Nephogram of stress distribution

裝置的剛度影響成形鍛件的精度，該裝置位移分布云圖如圖5所示。分析表明，加載時，側砧橫向移動1.4 mm，剛度滿足設計要求。

圖5 位移分布云圖Fig.5 Nephogram of displacement distribution

3 結論

在傳統自由鍛造壓機上采用四錘頭徑向鍛造裝置進行徑向鍛造是一種全新的自由鍛造工藝。本文討論了四錘頭徑向鍛造裝置組成及技術特點，以ABAQUS有限元分析軟件為平臺，建立了25 MN四錘頭徑向鍛造裝置受力分析模型，并對計算結果進行了討論。結果表明，該裝置的設計滿足強度和剛度要求。

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