王連東 梁 晨 王金寶 劉唯唯

1.燕山大學,秦皇島,066004 2.中原特鋼股份有限公司,濟源,454692

0 引言

在液壓機上鍛造圓軸鍛件的工藝有平砧拔長后滾圓和型砧直接拔長兩種。關于平砧拔長矩形截面坯料的研究,在工藝理論及模擬技術等方面均取得了大量的成果[1-4],生產(chǎn)技術趨于成熟。型砧拔長圓軸常用的方法有上下型砧拔長、上平下V形砧拔長[5]。上下型砧拔長應用較多,工藝參量適當,鍛坯中心處于三向壓應力狀態(tài),有利于軸心區(qū)域的壓實,而且軸線不會偏移。一般情況下,使用上平下V形砧拔長圓軸時,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)后會使軸線偏移[5]。

鍛造工作輥坯、支承輥坯、轉(zhuǎn)子鍛坯等階梯形的軸類鍛件時,先用平砧將鋼錠鍛造至輥身尺寸,再拔長輥身兩端的大小臺階。對臺階尺寸差值大的鍛件,若采用上下型砧拔長,在鍛造中需更換上砧,鍛造時間長,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,不需更換上砧,鍛造時間短,但涉及如何保證變形部分處于較好的應力狀態(tài),中心區(qū)域具有較好的鍛透性,同時軸線的偏移量控制在要求的范圍內(nèi)等關鍵問題。目前,關于此方面的研究尚未見文獻報道。

本文針對上平下V形砧拔長階梯軸鍛件展開了研究,在分析變形區(qū)應力應變的基礎上,提出了同時保證變形區(qū)鍛造性能與消除軸線偏移的關鍵技術,并針對具體的鍛件確定了鍛造工藝參數(shù),進行了不同情況下的數(shù)值模擬,在此基礎上進行了實際生產(chǎn)。

1 變形分析

截取上平下V形砧之間的橫截面進行變形分析,如圖1所示,圖中,x向為寬度方向,y向為高度方向。沿上下砧與坯料接觸線的邊緣向內(nèi)作與其成45°夾角的斜線,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)稱為主動變形區(qū),該區(qū)內(nèi)x、y方向應力為壓應力。受到 Ⅱ區(qū)的拉動作用,坯料中間的 Ⅲ區(qū)cmf jin產(chǎn)生塑性變形,Ⅲ區(qū)稱為被動變形區(qū),該區(qū)內(nèi)靠近中心的區(qū)域內(nèi)的橫向應力為拉應力。隨著坯料的轉(zhuǎn)動,某瞬時的剛性區(qū) Ⅰ隨后將變成主動變形區(qū)。軸向(z向)的應力取決于砧寬比的大小,砧寬比較小時靠近 x軸的區(qū)域內(nèi)存在軸向拉應力。

圖1 橫截面上變形

由圖1可知：壓下量較小時,坯料中心的被動變形區(qū)大,軸心區(qū)域存在較大的橫向拉應力,Ⅲ區(qū)比 Ⅱ區(qū)的變形小,不利于缺陷的壓實;壓下量較大時,坯料中心的 Ⅲ區(qū)縮小,橫向拉應力減小甚至轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?Ⅲ區(qū)比 Ⅱ區(qū)的變形大,有利于缺陷的進一步壓實。

2 上平下V形砧拔圓關鍵技術

2.1 操作原則

(1)為保證軸心區(qū)域的鍛造性能,壓下率應大于10%。

(2)為消除變形部分的軸線偏移,坯料拔長一周中的轉(zhuǎn)動次數(shù)應為偶數(shù),前后半周的首次壓下量數(shù)值近似相等,而且前后半周拔長時上下砧之間的距離分別保持不變。

(3)為保證坯料轉(zhuǎn)動后壓下時不壓偏,壓下量與轉(zhuǎn)動角度要匹配得當。

2.2 壓下量

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

2.3 轉(zhuǎn)動角度

上平下V形砧拔長中,每周轉(zhuǎn)動的次數(shù)n應為偶數(shù),生產(chǎn)中一般取 6、8、10、12 、18,每次轉(zhuǎn)動的角度為

圖2所示為拔長圓軸時橫截面的變化情況,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轉(zhuǎn)動一次后壓下時不發(fā)生壓偏,上平砧接觸面下的ac邊(圖2b)須轉(zhuǎn)過垂直對稱線,轉(zhuǎn)角應大于θ0,θ0由下式求取：

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

圖2 橫截面變化簡圖

式中,m為拔長時與坯料展寬有關的參數(shù),一般在0.55～0.85之間取值。

根據(jù)式(3)、式(5)計算出的轉(zhuǎn)動角度值,取其大者作為拔長時的轉(zhuǎn)動角度,并圓整到式(1)要求的角度。

3 數(shù)值模擬

3.1 研究對象

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

圖3 φ1365mm支承輥鍛件圖

3.2 臺階拔長工藝

根據(jù)操作原則,經(jīng)理論分析與計算,確定拔長臺階共分為12個工步。前4個工步拔長大臺階,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45°;第 5工步滾圓,砧間距為 360mm,壓下12次,每次坯料轉(zhuǎn)動 30°;第 6工步拔長端部,砧間距保持360mm不變,壓下8次,每次坯料轉(zhuǎn)動45°;第7工步至第10工步拔長小臺階,砧間距依次為 535mm、475mm 、415mm、360mm,每工步壓下4次,每次坯料轉(zhuǎn)動45°;第11工步滾圓小臺階,砧間距保持 360mm不變,壓下 12次,每次坯料轉(zhuǎn)動30°;第12工步拔長端部,砧間距保持360mm 不變,壓下8次,每次坯料轉(zhuǎn)動 45°。

3.3 數(shù)值模擬

根據(jù)上述拔長臺階的工藝過程,運用DEFORM軟件進行數(shù)值模擬。在模擬時,將鍛件從輥身一半處剖開,僅分析其右側(cè)部分的變形。選取砧子送進量一半處的橫截面,并在其上選取中心點P1和1/2半徑上位于x軸的點P 2及位于y軸的點P 3、P4(圖1)。模擬結(jié)果見表1,表中應力與應變數(shù)值分別保留小數(shù)點后一位與三位。

表1 拔長大臺階時模擬結(jié)果

3.3.1 模擬結(jié)果分析

(1)坯料內(nèi)部應力狀態(tài)較好。x向(橫向)除第1道次時P2點存在較小的拉應力外,其他道次時均為壓應力,而且壓應力數(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,軸心區(qū)域存在較小的拉應力,其他道次時均為壓應力,有利于中心壓實。

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

上平下V形砧拔長小臺階與拔長大臺階情況基本相同,坯料內(nèi)部應力狀態(tài)較好,而且等效應力明顯增大,有利于進一步壓實。

3.3.2 軸線偏移模擬及分析

在建立的三維數(shù)模中,選取輥身中面(左端面)中心點作為基準點O0(x0,y0),選取鍛坯右端面中心點O1(x1,y1)作為觀測點,計算出O1點相對O0點的初始偏移量x、y。在鍛造過程中,測量每次壓下后基準點O0和觀測點O1的新坐標,計算出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)大臺階由φ1120拔長至φ815過程中變形部分軸線的偏移情況,圖中第一個點的數(shù)值為初始偏移量,后續(xù)每個點對應的數(shù)值為相應壓下道次的偏移量。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;滾圓時壓下12次后,偏移量亦回到初始值;拔長端部壓下8次后,偏移量同樣回到初始值。該結(jié)果說明,按此工藝操作,軸線基本不偏。

圖4 觀測點相對基準點的偏移

3.3.3 改變壓下量時的模擬

(1)增加第一周壓下量。保持拔長時轉(zhuǎn)動角度不變,將第一周的壓下量增加至140mm,第二周壓下量減小至50mm。拔長結(jié)束時,由變形部分軸線的偏移情況(圖5)可知：第一周后,觀測點與基準點 x、y方向的偏移量分別為43.83mm、89.23mm;第二周結(jié)束時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 大壓下量時觀測點相對基準點的偏移

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

表2 壓下量100mm時大臺階拔長模擬結(jié)果

4 生產(chǎn)實踐

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)的臺階,生產(chǎn)4件,全部通過超聲波探傷,臺階拔長后變形部分的軸線偏移量均小于20mm,滿足要求。

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45°;第5工步滾圓,砧間距 360mm,壓下12次,每次坯料轉(zhuǎn)動 30°;第6工步拔長端部,砧間距保持360mm不變,壓下8次,每次坯料轉(zhuǎn)動45°;第7工步至第10工步拔長小臺階,砧間距依次為535mm、475mm 、415mm、360mm,每工步壓下4次,每次坯料轉(zhuǎn)動45°;第11工步滾圓小臺階,砧間距保持360mm不變,壓下12次,每次坯料轉(zhuǎn)動 30°;第12工步拔長端部,砧間距保持360mm 不變,壓下8次,每次坯料轉(zhuǎn)動45°。

5 結(jié)論

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

(2)給出了上平下V形砧拔圓時轉(zhuǎn)動角度與相對壓下量的匹配關系,壓下量匹配得當,可以同時控制變形區(qū)鍛造性能與消除軸線偏移;保持轉(zhuǎn)動角度不變,壓下量過大時軸線偏移量大,壓下量過小時內(nèi)部應力狀態(tài)變差。

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

[1] 劉助柏,張慶,王連東,等.鍛造理論與工藝的進展[J].燕山大學學報,2000,24(4)：294-301.

[2] 梁晨,劉助柏,王連東.新FM法拔長的臨界砧寬比、臨界料寬比及工藝參數(shù)研究[J].機械工程學報,2003,39(12)：154-157.

[3] 王雷剛.大型汽輪機轉(zhuǎn)子鍛造工藝模擬與智能CAPP[D].秦皇島：燕山大學,2002.

[4] 付強.軸類鍛件鍛造過程的數(shù)值模擬研究[D].上海：上海交通大學,2008.

[5] 張志文.鍛造工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社,1983.