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        大型環(huán)形鍛件鍛造工藝分析

        2012-10-22 23:27:00張鋒邵景鏞機械工業(yè)第六設計研究院有限公司天津分公司
        鍛造與沖壓 2012年17期
        關(guān)鍵詞:環(huán)件沖孔鍛件

        文/張鋒,邵景鏞·機械工業(yè)第六設計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·機械工業(yè)第六設計研究院有限公司天津分公司

        隨著船舶、化工設備、高鐵、汽車、大型電站動力設備、風電技術(shù)、航空航天和國防建設的快速發(fā)展,對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→馬杠擴孔→端面平整。

        ⑵棒材→鋸床下料→加熱→鐓粗→沖孔→馬杠擴孔→加熱→輾環(huán)機擴孔。

        ⑶棒材→鋸床下料→加熱→鐓粗→沖孔→輾環(huán)機擴孔。

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

        第二種工藝方案主要針對零件質(zhì)量要求非常高的環(huán)形鍛件,鐓粗、沖孔后,馬杠擴孔可有效改變鍛件的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),環(huán)件徑—軸向輾擴保證了環(huán)件的徑軸向尺寸精度,但二次加熱浪費能源,生產(chǎn)效率較低。

        第三種工藝方案在大型環(huán)形鍛件的鍛造中應用比較廣泛,但環(huán)件的機械性能不如第二種方案,可通過調(diào)節(jié)輾環(huán)機擴孔工藝參數(shù)來提高環(huán)件的成形質(zhì)量。

        環(huán)件輾擴數(shù)值模擬

        本文采用上述三種方案中的第三種鍛造工藝,對環(huán)件鐓粗、沖孔后,徑軸向輾擴成形過程進行數(shù)值模擬,分析環(huán)件在輾擴成形過程中形狀、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,熱輾擴的三維幾何裝配模型,導入到DEFORM模擬軟件中,建立環(huán)件熱輾擴仿真有限元模型,如圖1所示。

        圖1 環(huán)件熱輾擴仿真有限元模型

        模擬計算條件

        ⑴環(huán)件材料為42CrMo鋼,在熱輾擴成形過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,材料模型按照DEFORM材料庫中提供的材料屬性定義。成形輥在熱輾擴成形過程中變形量比較小,設置為剛體,模具材料為熱作模具鋼4Cr5MoWSiV,按照DEFORM材料庫中提供的材料屬性定義。

        ⑵在熱輾擴成形過程中,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)件輾擴工藝參數(shù)。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗和環(huán)件成品尺寸,取軋制比為3.5,計算出環(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)省模擬計算時間,取環(huán)坯軸向尺寸的一半112mm進行分析計算。輾環(huán)機驅(qū)動輥、芯輥和導向輥直徑分別為850mm、260mm和140mm。環(huán)件與成形輥的摩擦因子為0.7。

        圖2 環(huán)件不同部位跟蹤點等效應變變化曲線圖

        模擬結(jié)果分析

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

        ⑵等效應變的變化分布。圖2為環(huán)件截面不同部位跟蹤點等效應變隨時間的變化規(guī)律。從圖中可以看出,在環(huán)件輾擴初始階段,各部位的變形量都比較小,隨著輾擴過程的不斷進行,等效應變迅速增大,且環(huán)件內(nèi)外層的變形量始終大于遠離成形輥的環(huán)件中層。當輾擴結(jié)束時,整個環(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,由于環(huán)件輾擴成形是一個連續(xù)局部塑性成形過程,使得跟蹤點的等效應變變化曲線呈現(xiàn)出階梯狀。

        圖3 徑向輾擴力隨時間變化而變化的曲線圖

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

        生產(chǎn)試驗

        根據(jù)生產(chǎn)工藝流程的要求,車間配備了相應的生產(chǎn)設備:

        ⑴下料設備為臥式帶鋸床,型號為GB4260、GB4280。

        ⑵加熱設備為3.2m×2.5m×8m的臺車式加熱爐。

        ⑶鐓粗沖孔設備為2500t鍛造液壓機。

        圖4 環(huán)件熱輾擴生產(chǎn)試驗過程

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

        環(huán)件鍛造工藝主要有以下兩點:

        ⑴鐓粗沖孔工藝。根據(jù)環(huán)形零件尺寸和軋制比,計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鍛造液壓機上進行制坯工序,在鐓粗過程中環(huán)件將出現(xiàn)鼓形,沖孔后環(huán)坯內(nèi)徑為320mm,大于輾環(huán)機的芯輥直徑,其直徑為260mm。

        ⑵環(huán)件輾擴工藝。用鍛造操作機將環(huán)坯移到輾擴機上進行輾擴成形,成形尺寸的外徑為910mm,內(nèi)徑為320mm,高度為224mm。在進行輾擴試驗前,將環(huán)坯和輾擴件的尺寸輸入到控制系統(tǒng),自動生成輾擴曲線,根據(jù)輾擴曲線和實際生產(chǎn)經(jīng)驗,不斷地調(diào)整徑向和軸向輾擴工藝參數(shù),使輾擴過程平穩(wěn)進行。

        環(huán)件輾擴空冷后測量的產(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,都在輾擴件尺寸公差允許的范圍之內(nèi)。環(huán)件輾擴需3~4min,從加熱保溫后開始制坯到輾擴結(jié)束,需要8~9min,整個過程和模擬結(jié)果比較接近。

        圖5所示的是環(huán)坯熱輾擴試驗測量得到的徑向輾擴力曲線。從圖中可以看出,試驗測量和數(shù)值模擬的徑向輾擴力曲線發(fā)展趨勢相同。通過比較兩條輾擴力曲線,可以看出在穩(wěn)定輾擴階段,試驗測量值比模擬值稍大。這是因為輾擴試驗過程中,環(huán)件軸向高度發(fā)生變化,端面錐輥在穩(wěn)定輾擴階段沿環(huán)件軸向進給,使壁厚發(fā)生變化,對徑向輾擴力產(chǎn)生影響,模擬時設軸向進給速度為零。由于試驗過程中環(huán)件軸向變化很小,實際輾擴力與模擬計算的徑向輾擴力差別不大,可以用來估算實際生產(chǎn)中的徑向輾擴力,為輾擴設備的選擇提供依據(jù)。

        圖5 環(huán)坯熱輾擴試驗徑向輾擴力曲線

        結(jié)束語

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

        ⑵利用環(huán)坯鐓粗、沖孔后直接進行輾擴,減少馬杠擴孔工序,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)坯熱輾擴成形過程中,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)件的試驗輾擴力曲線和數(shù)值模擬輾擴力曲線趨勢相同,輾擴力比較接近,可為環(huán)件輾擴生產(chǎn)設備的選擇提供參考數(shù)據(jù)。

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