文/張鋒，邵景鏞·機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司天津分公司

大型環(huán)形鍛件鍛造工藝分析

文/張鋒，邵景鏞·機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司天津分公司

隨著船舶、化工設(shè)備、高鐵、汽車、大型電站動(dòng)力設(shè)備、風(fēng)電技術(shù)、航空航天和國(guó)防建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)軸承和法蘭等大型環(huán)形鍛件的需求量，也隨之大幅度增加。目前，生產(chǎn)大型環(huán)形鍛件的鍛造廠采用的鍛造工藝方案主要有以下三種：

⑴棒材→鋸床下料→加熱→鐓粗→沖孔→馬杠擴(kuò)孔→端面平整。

⑵棒材→鋸床下料→加熱→鐓粗→沖孔→馬杠擴(kuò)孔→加熱→輾環(huán)機(jī)擴(kuò)孔。

⑶棒材→鋸床下料→加熱→鐓粗→沖孔→輾環(huán)機(jī)擴(kuò)孔。

第一種工藝方案中的馬杠擴(kuò)孔和端面平整是關(guān)鍵工序，但當(dāng)端面平整工序的回轉(zhuǎn)臺(tái)直徑小于環(huán)件直徑時(shí)，則無(wú)法進(jìn)行最終平整。因此，在生產(chǎn)中經(jīng)常采用鐓粗、沖孔后，預(yù)擴(kuò)孔→平整→擴(kuò)孔至成品尺寸工藝，但環(huán)件高度方向尺寸無(wú)法控制，需要加大鍛件高度余量，既增加了原材料和能源的消耗，又增加了機(jī)加工的工作量，這種工藝方案在實(shí)際生產(chǎn)中使用的比較少。

第二種工藝方案主要針對(duì)零件質(zhì)量要求非常高的環(huán)形鍛件，鐓粗、沖孔后，馬杠擴(kuò)孔可有效改變鍛件的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，環(huán)件徑—軸向輾擴(kuò)保證了環(huán)件的徑軸向尺寸精度，但二次加熱浪費(fèi)能源，生產(chǎn)效率較低。

第三種工藝方案在大型環(huán)形鍛件的鍛造中應(yīng)用比較廣泛，但環(huán)件的機(jī)械性能不如第二種方案，可通過(guò)調(diào)節(jié)輾環(huán)機(jī)擴(kuò)孔工藝參數(shù)來(lái)提高環(huán)件的成形質(zhì)量。

環(huán)件輾擴(kuò)數(shù)值模擬

本文采用上述三種方案中的第三種鍛造工藝，對(duì)環(huán)件鐓粗、沖孔后，徑軸向輾擴(kuò)成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析環(huán)件在輾擴(kuò)成形過(guò)程中形狀、尺寸的變化規(guī)律。

有限元模型的建立

采用PRO/E軟件建立環(huán)件鐓粗、沖孔后，熱輾擴(kuò)的三維幾何裝配模型，導(dǎo)入到DEFORM模擬軟件中，建立環(huán)件熱輾擴(kuò)仿真有限元模型，如圖1所示。

圖1 環(huán)件熱輾擴(kuò)仿真有限元模型

模擬計(jì)算條件

⑴環(huán)件材料為42CrMo鋼，在熱輾擴(kuò)成形過(guò)程中視為剛塑性材料，采用四面體單元網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為60000個(gè)，材料模型按照DEFORM材料庫(kù)中提供的材料屬性定義。成形輥在熱輾擴(kuò)成形過(guò)程中變形量比較小，設(shè)置為剛體，模具材料為熱作模具鋼4Cr5MoWSiV，按照DEFORM材料庫(kù)中提供的材料屬性定義。

⑵在熱輾擴(kuò)成形過(guò)程中，環(huán)件與周圍環(huán)境、成形輥接觸面之間有熱量傳遞和交換，取環(huán)件輾擴(kuò)初始溫度為1050℃，環(huán)境溫度為20℃，成形輥初始溫度為250℃，環(huán)件塑性變形功轉(zhuǎn)化為熱能的效率為0.9。

⑶環(huán)件輾擴(kuò)工藝參數(shù)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和環(huán)件成品尺寸，取軋制比為3.5，計(jì)算出環(huán)件鐓粗、沖孔后環(huán)坯的外徑、內(nèi)徑和高度分別為910mm、 320mm和224mm。為了節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)間，取環(huán)坯軸向尺寸的一半112mm進(jìn)行分析計(jì)算。輾環(huán)機(jī)驅(qū)動(dòng)輥、芯輥和導(dǎo)向輥直徑分別為850mm、260mm和140mm。環(huán)件與成形輥的摩擦因子為0.7。

圖2 環(huán)件不同部位跟蹤點(diǎn)等效應(yīng)變變化曲線圖

模擬結(jié)果分析

⑴幾何形狀變化。鍛造結(jié)束時(shí)，環(huán)件的外徑、內(nèi)徑、高度分別為1408mm、1120mm和105mm。

⑵等效應(yīng)變的變化分布。圖2為環(huán)件截面不同部位跟蹤點(diǎn)等效應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，在環(huán)件輾擴(kuò)初始階段，各部位的變形量都比較小，隨著輾擴(kuò)過(guò)程的不斷進(jìn)行，等效應(yīng)變迅速增大，且環(huán)件內(nèi)外層的變形量始終大于遠(yuǎn)離成形輥的環(huán)件中層。當(dāng)輾擴(kuò)結(jié)束時(shí)，整個(gè)環(huán)件都產(chǎn)生了塑性變形，保證了環(huán)件的形狀尺寸和內(nèi)在質(zhì)量。同時(shí)，由于環(huán)件輾擴(kuò)成形是一個(gè)連續(xù)局部塑性成形過(guò)程，使得跟蹤點(diǎn)的等效應(yīng)變變化曲線呈現(xiàn)出階梯狀。

圖3 徑向輾擴(kuò)力隨時(shí)間變化而變化的曲線圖

⑶輾擴(kuò)力變化。環(huán)件輾擴(kuò)力不僅是孔形設(shè)計(jì)和輾擴(kuò)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，同時(shí)也是輾擴(kuò)設(shè)備選擇的重要依據(jù)。圖3所示的是環(huán)坯在熱輾擴(kuò)成形過(guò)程中，徑向輾擴(kuò)力隨時(shí)間變化而變化的曲線圖。從圖中可以看出徑向輾擴(kuò)力在初期環(huán)件咬入孔形階段，輾擴(kuò)力迅速增大到1500kN左右。進(jìn)入穩(wěn)定輾擴(kuò)階段后，芯輥每轉(zhuǎn)進(jìn)給量變化不大，輾擴(kuò)力在這一定值附近上下波動(dòng)。在整形結(jié)束階段，隨著芯輥進(jìn)給速度的減小，輾擴(kuò)力開始緩慢下降。

生產(chǎn)試驗(yàn)

根據(jù)生產(chǎn)工藝流程的要求，車間配備了相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備：

⑴下料設(shè)備為臥式帶鋸床，型號(hào)為GB4260、GB4280。

⑵加熱設(shè)備為3.2m×2.5m×8m的臺(tái)車式加熱爐。

⑶鐓粗沖孔設(shè)備為2500t鍛造液壓機(jī)。

圖4 環(huán)件熱輾擴(kuò)生產(chǎn)試驗(yàn)過(guò)程

⑷環(huán)鍛設(shè)備為4m數(shù)控徑向—軸向輾環(huán)機(jī)。

環(huán)件鍛造工藝主要有以下兩點(diǎn)：

⑴鐓粗沖孔工藝。根據(jù)環(huán)形零件尺寸和軋制比，計(jì)算出鐓粗沖孔后的環(huán)坯尺寸，棒料尺寸為φ400mm×1140mm，在臥式帶鋸床上下料。

環(huán)件加熱到1150℃后保溫，在2500t鍛造液壓機(jī)上進(jìn)行制坯工序，在鐓粗過(guò)程中環(huán)件將出現(xiàn)鼓形，沖孔后環(huán)坯內(nèi)徑為320mm，大于輾環(huán)機(jī)的芯輥直徑，其直徑為260mm。

⑵環(huán)件輾擴(kuò)工藝。用鍛造操作機(jī)將環(huán)坯移到輾擴(kuò)機(jī)上進(jìn)行輾擴(kuò)成形，成形尺寸的外徑為910mm，內(nèi)徑為320mm，高度為224mm。在進(jìn)行輾擴(kuò)試驗(yàn)前，將環(huán)坯和輾擴(kuò)件的尺寸輸入到控制系統(tǒng)，自動(dòng)生成輾擴(kuò)曲線，根據(jù)輾擴(kuò)曲線和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，不斷地調(diào)整徑向和軸向輾擴(kuò)工藝參數(shù)，使輾擴(kuò)過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。

環(huán)件輾擴(kuò)空冷后測(cè)量的產(chǎn)品尺寸為，環(huán)件外徑為1416mm，內(nèi)徑為1108mm，高度215mm，外圓橢圓度為2mm，產(chǎn)品的尺寸精度較好，都在輾擴(kuò)件尺寸公差允許的范圍之內(nèi)。環(huán)件輾擴(kuò)需3～4min，從加熱保溫后開始制坯到輾擴(kuò)結(jié)束，需要8～9min，整個(gè)過(guò)程和模擬結(jié)果比較接近。

圖5所示的是環(huán)坯熱輾擴(kuò)試驗(yàn)測(cè)量得到的徑向輾擴(kuò)力曲線。從圖中可以看出，試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的徑向輾擴(kuò)力曲線發(fā)展趨勢(shì)相同。通過(guò)比較兩條輾擴(kuò)力曲線，可以看出在穩(wěn)定輾擴(kuò)階段，試驗(yàn)測(cè)量值比模擬值稍大。這是因?yàn)檩殧U(kuò)試驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)件軸向高度發(fā)生變化，端面錐輥在穩(wěn)定輾擴(kuò)階段沿環(huán)件軸向進(jìn)給，使壁厚發(fā)生變化，對(duì)徑向輾擴(kuò)力產(chǎn)生影響，模擬時(shí)設(shè)軸向進(jìn)給速度為零。由于試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)件軸向變化很小，實(shí)際輾擴(kuò)力與模擬計(jì)算的徑向輾擴(kuò)力差別不大，可以用來(lái)估算實(shí)際生產(chǎn)中的徑向輾擴(kuò)力，為輾擴(kuò)設(shè)備的選擇提供依據(jù)。

圖5 環(huán)坯熱輾擴(kuò)試驗(yàn)徑向輾擴(kuò)力曲線

結(jié)束語(yǔ)

⑴在大型環(huán)件生產(chǎn)試驗(yàn)前，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)鍛造變形過(guò)程進(jìn)行模擬分析，可為生產(chǎn)提供理論依據(jù)，減少反復(fù)的生產(chǎn)試驗(yàn)，節(jié)約能源和材料，降低成本。

⑵利用環(huán)坯鐓粗、沖孔后直接進(jìn)行輾擴(kuò)，減少馬杠擴(kuò)孔工序，可提高生產(chǎn)效率；采用大的軋制比，有利于提高鍛件內(nèi)部質(zhì)量。

⑶在環(huán)坯熱輾擴(kuò)成形過(guò)程中，環(huán)件的內(nèi)層和外層變形量大于中層，為大變形區(qū)，質(zhì)量較好。

⑷環(huán)件的試驗(yàn)輾擴(kuò)力曲線和數(shù)值模擬輾擴(kuò)力曲線趨勢(shì)相同，輾擴(kuò)力比較接近，可為環(huán)件輾擴(kuò)生產(chǎn)設(shè)備的選擇提供參考數(shù)據(jù)。

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