摘 要：為提高長軸類大鍛件拔長工藝的效率、降低成本、節(jié)約能耗、改善鍛件成形質(zhì)量，根據(jù)某船用長軸類大鍛件的實際尺寸，結(jié)合企業(yè)實際鍛造及加熱設備情況制定了鍛造工藝，并基于有限元數(shù)值模擬軟件DEFORM-3D研究了鍛造工藝方法，針對固定上砧寬度而選擇寬度相同或?qū)挾雀蟮南抡?，分析了鍛件表面溫度場、截面應力分布以及鍛造力、拔長效率的情況。結(jié)果表明，采用等寬（330mm）的上下砧時，鍛造效率、溫度場分布均優(yōu)于其它情況，所需的鍛造力也較小，有利于實現(xiàn)長軸類大鍛件的鍛造成形。

關鍵詞：長軸類大鍛件；鍛造工藝；拔長效率；砧寬

1 引 言

船用中間軸在工作過程中受旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力以及傳遞扭矩和自重產(chǎn)生的彎曲力作用，所以對其質(zhì)量提出了較高的要求。鍛造加工時，不僅要選用合理的工藝和參數(shù)以獲得合格的鍛件形狀和尺寸，還要結(jié)合長軸類大鍛件的加工特點，選擇合適的鍛造工藝方法，盡量提高拔長工藝的效率。

前人已經(jīng)利用物理模擬或數(shù)值模擬的方法對長軸類大鍛件鍛造工藝路線和參數(shù)進行了大量的研究，日本學者中島等人用塑料泥對平砧拔長、FM法進行了對比研究[1]，研究了兩種拔長方法下變形體內(nèi)的應力應變特性，以及鍛造方法、應力應變條件對孔洞壓合的影響。清華大學曹起驤等用密柵云紋對FM法[2]、平砧鍛造法[3]的應力應變分布進行了對比研究。為了控制坯料截面上橫向拉應力的出現(xiàn)，燕山大學劉助柏教授提出了同時控制料寬比及砧寬比的LZ鍛造法[4]，Dudra and Im[5]、Park and Yang[6]模擬分析了平砧、FM法（寬平臺下砧）的拔長過程。然而，這些研究基本上是針對一次壓下或者一趟鍛打工藝過程得出的。而長軸類大鍛件的實際鍛造是一個多工序、多次進給和翻轉(zhuǎn)的多工步連續(xù)鍛造工程，不同工步之間相互影響，如果后續(xù)工藝選擇不當，有可能使前一工序成形的鍛件發(fā)生開裂。因此，如何按實際鍛造過程進行模擬分析，成為鍛造加工的熱門研究問題。

本文結(jié)合現(xiàn)有設備情況，針對固定寬度的上砧，模擬采用不同下砧寬度時鍛件的表面溫度分布、鍛造力、拔長效率及應力分布，確定合理的鍛造工藝方法。

2 鋼錠的選擇

某船用中間軸鍛件圖如圖1所示（虛線為最終零件輪廓），材料為35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，鍛件重量約為5.736噸。由于所用鍛造設備為4T SDY3.4自由鍛電液錘，考慮到產(chǎn)品的重量和變形量，需采用4火次鍛造該產(chǎn)品。按每火的燒損率取2%計算，坯料工藝重量約為6.2噸。

考慮到工藝重量和鍛造比的因素，選用8噸普通鍛造用八角鋼錠，長1 725 mm，如圖2所示。鋼錠在入爐前需鋸去冒口和底部，以保證成品鍛件中不會有縮孔或偏析等有害缺陷。鋼錠可用的錠身部分的實際重量約為6.6 t，符合工藝重量的要求。

按上述鋼錠大端直徑820、小端直徑778取平均直徑為799，計算鍛件的鍛造比[1]：中間軸法蘭段的總鍛造比K1=7 992/5 402=2.19，軸身段的總鍛造比K2=7992/2 802=8.14，符合中間軸法蘭段總鍛造比>1.5、軸身總鍛造比>3.0的指標要求[9]。

3 中間軸鍛造工藝卡片的指定

合理的鍛造溫度范圍應能保證金屬在該溫度范圍內(nèi)具有較高的塑性和較小的變形抗力，并能使鍛制出的鍛件獲得所希望的組織和性能。在此前提下，鍛造溫度范圍應盡可能取得寬一些，以便減少鍛造火次，降低消耗，提高生產(chǎn)效率并方便操作等。按35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼選取始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為800℃。對于溫度頭，文獻[7]推薦選取20～50℃，由于采用鋼錠開坯鍛造，過熱傾向較小，因此選擇溫度頭為50℃。

根據(jù)所要成形的鍛件形狀和火次分配，制定中間軸鍛造的工藝卡片，如表1所示。

4 鍛造工藝的有限元模擬

由于拔長工藝在整個鍛造過程中占有較大的比例，對鍛件質(zhì)量影響也較大，因此本文選擇拔長工藝進行研究。根據(jù)實際使用設備情況，其上砧固定在動力頭上，為不可拆卸寬W=330 mm的平砧，下砧可以根據(jù)生產(chǎn)需要拆卸替換。本文研究下砧為330 mm（普通平砧鍛造法）、400 mm、500 mm和下砧為寬平臺（FM鍛造法）4種情況下的鍛造效率、溫度場分布、鍛造力和應力分布情況，從而選擇適合中間軸成形的工藝方法。

4.1 有限元模型

受設備噸位影響，當坯料截面尺寸較大時，壓方和拔長工序的變形較困難，研究較大尺寸截面時坯料的變形比較有意義。因此本文以第二火中的拔長過程為例，采用DEFORM-3D有限元軟件進行研究。以拔長過程中某一中間尺寸585 mm×615 mm× 2 000 mm為初始毛坯。參考文獻[8]獲得該材料在不同溫度、應變和應變率下的連續(xù)變形的流變應力模型，導入到DEFORM-3D的預處理模塊中?？紤]到本文研究對象的變形量大，通過控制網(wǎng)格的最大邊長和最大最小網(wǎng)格邊長的比例來控制網(wǎng)格總數(shù)的生成，當變形量超過設定值時自動進行網(wǎng)格重劃，生成新的高質(zhì)量網(wǎng)格，并對主要變形區(qū)域進行網(wǎng)格細化，建立有限元模型如圖3所示。模具初始溫度和環(huán)境溫度均為20℃，剪切摩擦系數(shù)為0.3，工件與砧鐵及環(huán)境間的傳熱系數(shù)分別為11和0.02 N/s mm℃。按圖4所示的流程圖實現(xiàn)連續(xù)鍛造過程的模擬。

每次鍛打時均采用現(xiàn)有設備的最大打擊能量，為獲得較明顯的變形規(guī)律，每個位置鍛打5錘。為了減小料寬比的差異對伸長量的影響，鍛件采用90°-90°的翻轉(zhuǎn)方式，不同下砧寬度鍛造時，按上砧計算的絕對送進量均選擇0.8W，取整后送進量定為265 mm。

4.2 結(jié)果及分析

（1）表面溫度場分析

圖5所示為采用不同工藝方法鍛造后鍛件表面溫度場分布情況?？梢婋S著下砧寬度的增大，坯料表面的低溫區(qū)增大；FM法表面出現(xiàn)大片的低溫區(qū)。這是因為鍛造過程中，鍛件的下表面與下砧接觸，接觸面積越大，散熱速度越快。

（2）應力分析

在坯料截面的水平中心線上均勻選取20個點，圖6所示為這些點在水平面沿鍛件橫向（X向）和軸向（Z向）的應力分布情況。

由圖6（a）可知，在截面水平中心線上，兩端點（表面點：1點、20點）橫向應力為0，向中心點（10點、11點）逐漸變化：下砧寬越大，中心點橫向壓應力越大，下砧寬越小，中心點橫向拉應力越大。由圖6（b）可知，下砧寬越大，各點的軸向應力值越小。兩端點的軸向拉應力最大，向中心點逐漸減小。采用FM法時，心部獲得橫向壓應力和軸向壓應力，坯料心部出現(xiàn)三向壓應力狀態(tài)，對鍛合坯料心部的缺陷非常有利。

（3）鍛造力分析

圖7所示為沿鍛件軸向送進鍛打時，各工位所產(chǎn)生的鍛打力，其中1～7工位為第一趟鍛打，8～14工位為將鍛件翻轉(zhuǎn)90°時的第二趟鍛打。由圖7可見，采用上下等寬的平砧鍛造時載荷最小，隨著下砧寬度的增大，鍛造力隨之增大。同一趟鍛打過程中，因為鍛件端部金屬流動約束力較小，鍛打端部時的鍛造力也相對較小。第二趟鍛打時，由于溫度降低而使得鍛造力有所增加。上下砧等寬與FM法相比，其鍛造負荷小1/4～1/3。

（4）鍛造效率分析

鍛件伸長量與變形前坯料長度之比定義為伸長率。鍛件翻轉(zhuǎn)3次完成鍛造后的伸長率如圖8所示。由圖可知，下砧寬為330 mm時，鍛件伸長率最大，為13.3%，其次是砧寬為400 mm、500 mm的情況，F(xiàn)M方法的伸長率最小，僅為7.9%。即上下砧等寬時，拔長效率最高，F(xiàn)M法效率最低。'

綜上所述，雖然FM法鍛造時有利于獲得三向壓縮的應力狀態(tài)，但從鍛件表面溫度場、鍛造力和鍛造效率來看，仍然應選擇上下砧等寬的鍛造工藝方法。

5 結(jié) 論

（1）結(jié)合企業(yè)實際鍛造及加熱設備情況，制定了某35CrMo鋼船用中間軸長軸類大鍛件四火次鍛造成形的鍛造工藝。

（2）通過多工步連續(xù)指令流程，實現(xiàn)了連續(xù)鍛造過程的DEFORM-3D有限元數(shù)值模擬。

（3）通過中間軸拔長工藝的分析，確定選用上下砧等寬的鍛造工藝方法，有利于提高鍛造效率，降低鍛造力，改善表面溫度分布。

參考文獻

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