定寬壓力機(jī)曲軸鍛造工藝研究

熊 杰

(寶鋼股份公司設(shè)備部，上海 201900)

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定寬壓力機(jī)曲軸鍛造工藝研究

熊 杰

(寶鋼股份公司設(shè)備部，上海 201900)

大鍛件作為大型設(shè)備的重要部件，其質(zhì)量好壞直接影響設(shè)備的正常運(yùn)行和安全性。本文以某廠的定寬壓力機(jī)曲軸為研究對(duì)象，制定了曲軸的鍛造工藝路線。應(yīng)用數(shù)值模擬軟件Deform-3D建立其有限元模型，分析了鐓粗和拔長(zhǎng)過程中鍛件的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)。采用該工藝能滿足鍛件對(duì)鍛比的要求，鐓粗時(shí)采用47%的壓下量，能很大程度消除鑄造缺陷，拔長(zhǎng)時(shí)選擇較大的砧寬和接砧量，能夠使等效應(yīng)變沿軸向更為均勻。

定寬壓力機(jī)；曲軸；鍛造工藝；鐓粗；拔長(zhǎng)

0 前言

定寬壓力機(jī)是熱軋板坯調(diào)寬的重要設(shè)備，目前我國(guó)的定寬壓力機(jī)均由國(guó)外供貨，造價(jià)極其昂貴。為打破國(guó)外壟斷，需要自主研究定寬壓力機(jī)關(guān)鍵部件的制造工藝。曲軸是定寬壓力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在工作過程中需要承受反復(fù)的沖擊，對(duì)其制造質(zhì)量要求很高。曲軸鍛造過程如何消除鋼錠的鑄造缺陷，保證鍛件的鍛透性和性能的均勻性是制定曲軸鍛造工藝的關(guān)鍵。

目前我國(guó)已經(jīng)對(duì)鍛造工藝進(jìn)行了大量的研究。裴悅凱等[1]利用金相顯微鏡及SEM研究了不同鍛造比對(duì)H13電爐鋼組織和力學(xué)性能的影響；曲敬龍等[2]通過物理模擬方法得到了GH4720Li合金的熱變形特征，通過數(shù)值模擬方法研究了不同鍛造工藝對(duì)GH4720Li盤鍛件溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等參數(shù)的影響規(guī)律；黃遠(yuǎn)勝等[3]模擬了模鍛過程中齒輪軸承鋼坯的晶粒演變規(guī)律；李佑河等[4]通過熱模擬實(shí)驗(yàn)繪制出SAE4137鋼在不同真應(yīng)變下的熱加工圖，得到SAE4137鋼在成形時(shí)的加工穩(wěn)定區(qū)、失穩(wěn)區(qū)以及推薦加工區(qū)間；劉光輝等[5]通過數(shù)學(xué)模擬方法探討了WHF鍛造法的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)以及內(nèi)部孔隙的閉合過程；劉助柏[6]從理論上分析和論證了料寬比對(duì)平砧拔長(zhǎng)矩形截面毛坯的影響；王雷剛等[7]重點(diǎn)闡述了拔長(zhǎng)工藝?yán)碚摰淖钚鲁晒晃簼奢x[8]介紹了WHF法在軸類鍛件中的應(yīng)用；盧志輝等[9]用光塑性方法模擬研究了FM、WHF等拔長(zhǎng)工藝在不同砧寬比、不同壓下量時(shí)的應(yīng)變分布。

上述研究為長(zhǎng)軸類零件的鍛造提供了一定的理論與實(shí)踐指導(dǎo)，但至今未見到定寬壓力機(jī)曲軸的具體鍛造工藝。為此，本文根據(jù)曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與鍛造比要求制定曲軸的制造工藝，通過Deform軟件進(jìn)行鐓粗與一次拔長(zhǎng)工序的模擬，為曲軸鍛造關(guān)鍵工藝參數(shù)的制定提供理論依據(jù)。

1 曲軸鍛造工藝

曲軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，總重為20 782 Kg，材質(zhì)為30Cr2Ni2Mo合金結(jié)構(gòu)鋼，鍛比要求≥4。承載部通過滾動(dòng)軸承和連接臂相連，主要承載側(cè)壓力的作用，是曲軸的關(guān)鍵部位；支撐部安裝軸承座，固定曲軸并保證曲軸平穩(wěn)運(yùn)行；傳動(dòng)部通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連，起傳遞扭矩的作用；承載部與傳動(dòng)部之間存在偏心，偏心距為86 mm，由于偏心距的存在，曲軸的鍛造工藝比普通軸類鍛件還要復(fù)雜。

圖1 曲軸結(jié)構(gòu)圖

曲軸屬于大型鍛件，大型鍛件往往只能通過自由鍛的方法進(jìn)行生產(chǎn)，由于曲軸對(duì)力學(xué)性能要求較高，要求曲軸鍛比≥4，僅僅通過拔長(zhǎng)的方法滿足不了鍛比的要求。因此，必須先對(duì)鋼錠進(jìn)行鐓粗，然后對(duì)其進(jìn)行拔長(zhǎng)，才能滿足曲軸的鍛比要求，同時(shí)由于曲軸有一定的偏心距，拔長(zhǎng)結(jié)束后還需對(duì)曲軸兩端進(jìn)行錯(cuò)位，才能滿足曲軸的結(jié)構(gòu)要求。根據(jù)上述要求，制定的曲軸鍛造工藝如圖2所示。

圖2 曲軸鍛造流程圖

曲軸總長(zhǎng)為4 639 mm，為了在拔長(zhǎng)時(shí)方便操作機(jī)操作，在鐓粗前需要有壓鉗把的工序，鐓粗時(shí)下砧需帶漏盤。采用WHF法對(duì)曲軸進(jìn)行拔長(zhǎng)，該方法對(duì)鍛合鍛件內(nèi)部的孔隙，消除疏松等缺陷十分有利，同時(shí)對(duì)鍛造輔具的要求不高，特別是在大型軸類零件的鍛造中經(jīng)常采用此種方法。由于鐓粗和一次拔長(zhǎng)過程是曲軸的主要工序，決定曲軸的質(zhì)量和鍛透性，因此本文主要針對(duì)這兩個(gè)工序進(jìn)行模擬和分析。

2 鐓粗過程模擬

采用Deform-3D有限元軟件對(duì)曲軸鐓粗過程進(jìn)行了模擬，鐓粗壓下率為47%，鍛比為1.88，坯料鐓粗時(shí)帶鉗把，下砧板帶漏盤，具體模擬參數(shù)如表1所示。將坯料和砧板的三維模型(如圖3所示)保存為.stl格式文件，導(dǎo)入Deform-3D軟件中，坯料的單元數(shù)為100 000個(gè)，砧板單元數(shù)量為50 000個(gè)，坯料設(shè)為塑性體，砧板設(shè)為剛體，只參與傳熱不發(fā)生變形。

表1 鐓粗模擬參數(shù)Table 1 Simulation parameters of upsetting

圖3 坯料和砧板三維模型

不同壓下率下鍛件的應(yīng)力應(yīng)變分布情況如圖4所示。由圖可知，隨著壓下率的不斷增加，鍛件芯部的等效應(yīng)變與軸向應(yīng)力均不斷增大，大的應(yīng)變和壓應(yīng)力正是空洞類缺陷閉合的先決條件，因此從空洞缺陷閉合的角度來說，坯料鐓粗應(yīng)該選較大的壓下量。為進(jìn)一步分析等效應(yīng)變與軸向應(yīng)力隨壓下率的變化關(guān)系，將中心點(diǎn)處芯部應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)提取后，如圖5所示。由圖可知，當(dāng)壓下率達(dá)到47%時(shí)，坯料心部等效應(yīng)變能達(dá)到0.8，軸向壓應(yīng)力達(dá)到60 Mpa，能很大程度消除鑄造缺陷[10]。

圖4 應(yīng)變和應(yīng)力云圖

圖5 鍛件心部等效應(yīng)變和軸向應(yīng)力分布

3 一次拔長(zhǎng)過程模擬

將鐓粗后結(jié)果作為一次拔長(zhǎng)工序的初始模型，其它模擬參數(shù)如表2所示。砧板的寬度選擇850 mm和1 200 mm兩種，拔長(zhǎng)鍛比為2.31。由于每趟拔長(zhǎng)在壓下的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生寬展，進(jìn)行下趟拔長(zhǎng)時(shí)必須將其考慮在內(nèi)。寬展量的計(jì)算公式如式(1)與式(2)所示[11-13]。

α=0.782-0.182HW

(1)

ΔB=α×ΔH

(2)

式中，α為寬展率；H為坯料高度；W為砧板寬度；ΔB為寬展量；ΔH為壓下量。

表2 拔長(zhǎng)模擬參數(shù)

接砧量分別按照1/2砧寬和1/3砧寬進(jìn)行模擬對(duì)比，錯(cuò)砧量根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，即坯料每翻轉(zhuǎn)180°進(jìn)行錯(cuò)砧。綜上，制定兩種方案如表3所示。方案一：砧寬為850 mm，第1、2趟首次進(jìn)給量為滿砧，其他趟數(shù)按照接砧量為285 mm(1/3砧寬)和425 mm(1/2砧寬)分別進(jìn)行模擬，每趟結(jié)束后，坯料翻轉(zhuǎn)90°，錯(cuò)砧量按照首次進(jìn)給量給定，坯料每翻轉(zhuǎn)180°，進(jìn)行錯(cuò)砧；方案二為：砧寬為1 200 mm，第1、2趟首次進(jìn)給量為滿砧，其他趟數(shù)按照接砧量為400 mm(1/3砧寬)和600 mm(1/2砧寬)分別進(jìn)行模擬，每趟結(jié)束后，坯料翻轉(zhuǎn)90°，錯(cuò)砧量按照首次進(jìn)給量給定，坯料每翻轉(zhuǎn)180°，進(jìn)行錯(cuò)砧。

兩個(gè)方案鍛件等效應(yīng)變的最終模擬結(jié)果如圖6所示。為便于分析，沿軸向在坯料心部等間隔取30個(gè)點(diǎn)，30個(gè)點(diǎn)的等效應(yīng)變分布如圖7所示。由圖可知，在鍛件軸向中心部位(點(diǎn)15與點(diǎn)16)方案一等效應(yīng)變達(dá)到1.15左右，方案二等效應(yīng)變達(dá)到1.18左右，兩種方案差別不大。在鍛件兩端部(點(diǎn)1與點(diǎn)30)，方案1等效應(yīng)變達(dá)到2.0左右，特別是當(dāng)接砧量較小時(shí)(285 mm)，等效應(yīng)變達(dá)到2.1左右，均勻性較差；當(dāng)方案2的接砧量較小時(shí)(400 mm)，在鍛件兩端部(點(diǎn)1與點(diǎn)30)的等效應(yīng)變存在較大差別，分別為1.2和1.8左右，但整體均勻性仍好于方案1；當(dāng)方案2的接砧量較大時(shí)(600 mm)，在鍛件兩端部(點(diǎn)1與點(diǎn)30)的等效應(yīng)變差別很小，均在1.5左右。為進(jìn)一步分析兩種方案(四種不同工況)的等效應(yīng)變均勻性，將30個(gè)測(cè)量點(diǎn)的等效應(yīng)變進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，方案二兩種工況的應(yīng)變均勻性均比方案一的兩種工況好，而方案二兩種工況中，接砧量大的工況又好于接砧量小的工況。

表3 工藝參數(shù)

圖6 鍛件等效應(yīng)變?cè)茍D

方案平均值均方差方案一(接砧量285mm)1.438360.281142方案一(接砧量425mm)1.394910.243355方案二(接砧量400mm)1.316860.224199方案二(接砧量600mm)1.236480.157454

4 結(jié)論

(1) 采用鐓粗+拔長(zhǎng)+錯(cuò)位的工序，能夠滿足曲軸的鍛比和結(jié)構(gòu)要求。

(2) 通過對(duì)鐓粗過程的模擬，可知當(dāng)壓下率選為47%時(shí)，坯料心部等效應(yīng)變能達(dá)到0.78，軸向壓應(yīng)力達(dá)到60 MPa，能很大程度消除鑄造缺陷，有利于空洞類缺陷的焊合。

圖7 鍛件芯部等效應(yīng)變分布圖

(3) 在設(shè)備允許情況下，進(jìn)行曲軸一次拔長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)選擇較大的砧寬、較大的接砧量以改善等效應(yīng)變分布的均勻性。

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Research on forging technology of crankshaft for slab sizing press

XIONG Jie

(Equipment Department，Baoshan Iron & Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

As the important parts of large equipment, the quality of large forgings has a major influence on the security and normal operation of large equipment. This paper takes the crankshaft of slab sizing press as the research object, making the forging process for crankshaft. The finite element model was established using the numerical simulation software Deform-3D, and the stress and strain filed during the upsetting and stretching courses were analyzed. The forging process can meet the requirement of forging ratio. When the upsetting reduction is 47%, the casting defects can be eliminated to a great extent. During the stretching course, more uniform effective strain distribution can be obtained with bigger width and connection length of anvil.

slab sizing press;crankshaft;forging technology;upsetting;stretching

2016-12-26；

2017-01-25

熊杰(1970-)，男，高級(jí)工程師，主要從事板帶軋制裝備研究與生產(chǎn)工作。

TG316

A

1001-196X(2017)04-0047-05