上平下V形砧锻造阶梯轴关键技术的研究

王连东 梁 晨 王金宝 刘唯唯

1.燕山大学,秦皇岛,066004 2.中原特钢股份有限公司,济源,454692

0 引言

在液压机上锻造圆轴锻件的工艺有平砧拔长后滚圆和型砧直接拔长两种。关于平砧拔长矩形截面坯料的研究,在工艺理论及模拟技术等方面均取得了大量的成果[1-4],生产技术趋于成熟。型砧拔长圆轴常用的方法有上下型砧拔长、上平下V形砧拔长[5]。上下型砧拔长应用较多,工艺参量适当,锻坯中心处于三向压应力状态,有利于轴心区域的压实,而且轴线不会偏移。一般情况下,使用上平下V形砧拔长圆轴时,最大变形区不在坯料中心,锻透性比较差,坯料不断翻转后会使轴线偏移[5]。

锻造工作辊坯、支承辊坯、转子锻坯等阶梯形的轴类锻件时,先用平砧将钢锭锻造至辊身尺寸,再拔长辊身两端的大小台阶。对台阶尺寸差值大的锻件,若采用上下型砧拔长,在锻造中需更换上砧,锻造时间长,影响锻造温度,甚至需要增加加热次数;若采用上平下V形砧拔长,不需更换上砧,锻造时间短,但涉及如何保证变形部分处于较好的应力状态,中心区域具有较好的锻透性,同时轴线的偏移量控制在要求的范围内等关键问题。目前,关于此方面的研究尚未见文献报道。

本文针对上平下V形砧拔长阶梯轴锻件展开了研究,在分析变形区应力应变的基础上,提出了同时保证变形区锻造性能与消除轴线偏移的关键技术,并针对具体的锻件确定了锻造工艺参数,进行了不同情况下的数值模拟,在此基础上进行了实际生产。

1 变形分析

截取上平下V形砧之间的横截面进行变形分析,如图1所示,图中,x向为宽度方向,y向为高度方向。沿上下砧与坯料接触线的边缘向内作与其成45°夹角的斜线,形成的 Ⅰ区abc、def、ghi为难变形区(刚性区),处于三向非常大的压应力状态,变形很小。在刚性区的直接作用下,引起坯料外侧 Ⅱ区acmf d、bcnih、fegij产生塑性变形,Ⅱ区称为主动变形区,该区内x、y方向应力为压应力。受到 Ⅱ区的拉动作用,坯料中间的 Ⅲ区cmf jin产生塑性变形,Ⅲ区称为被动变形区,该区内靠近中心的区域内的横向应力为拉应力。随着坯料的转动,某瞬时的刚性区 Ⅰ随后将变成主动变形区。轴向(z向)的应力取决于砧宽比的大小,砧宽比较小时靠近 x轴的区域内存在轴向拉应力。

图1 横截面上变形

由图1可知：压下量较小时,坯料中心的被动变形区大,轴心区域存在较大的横向拉应力,Ⅲ区比 Ⅱ区的变形小,不利于缺陷的压实;压下量较大时,坯料中心的 Ⅲ区缩小,横向拉应力减小甚至转变为压应力,Ⅲ区比 Ⅱ区的变形大,有利于缺陷的进一步压实。

2 上平下V形砧拔圆关键技术

2.1 操作原则

(1)为保证轴心区域的锻造性能,压下率应大于10%。

(2)为消除变形部分的轴线偏移,坯料拔长一周中的转动次数应为偶数,前后半周的首次压下量数值近似相等,而且前后半周拔长时上下砧之间的距离分别保持不变。

(3)为保证坯料转动后压下时不压偏,压下量与转动角度要匹配得当。

2.2 压下量

压下量的大小除直接影响坯料中心区的应力状态外,还影响拔长效率,压下量小则需要的变形道次多。在保持转动角度不变的前提下,压下量过大则坯料转动后压缩时易发生压偏,导致轴线偏移量增大。数值模拟及生产实践表明,每次变形的相对压下量控制在10%～12%较好。

2.3 转动角度

上平下V形砧拔长中,每周转动的次数n应为偶数,生产中一般取 6、8、10、12 、18,每次转动的角度为

图2所示为拔长圆轴时横截面的变化情况,变形前初始圆半径为R0,上下砧间距初始值为H0,第一次压下后变为H 1,压下率为

为保证坯料绕中心点转动一次后压下时不发生压偏,上平砧接触面下的ac边(图2b)须转过垂直对称线,转角应大于θ0,θ0由下式求取：

坯料拔长半周后,横截面已经变成多边形,当量圆直径为2R1,后半周变形时的上下砧初始间距为。同理,为防止坯料转动后压偏,转动的角度大于θ1,θ1由下式求取：

图2 横截面变化简图

式中,m为拔长时与坯料展宽有关的参数,一般在0.55～0.85之间取值。

根据式(3)、式(5)计算出的转动角度值,取其大者作为拔长时的转动角度,并圆整到式(1)要求的角度。

3 数值模拟

3.1 研究对象

图3为φ1365mm支承辊坯(材料70Cr3Mo)锻件简图。先用上下平砧(砧子宽1200mm)拔长至热方1370mm,然后倒八方至1370mm,然后滚圆至φ1365mm。辊身两侧大小台阶先用平砧拔长至φ1120mm,然后使用上平下V形砧拔长：砧宽700mm,V形砧角 120°,开口宽880mm。

图3 φ1365mm支承辊锻件图

3.2 台阶拔长工艺

根据操作原则,经理论分析与计算,确定拔长台阶共分为12个工步。前4个工步拔长大台阶,各工步压下后上下砧子的间距依次为830mm、745mm、685mm、630mm,每工步压下 4次,每次坯料转动45°;第 5工步滚圆,砧间距为 360mm,压下12次,每次坯料转动 30°;第 6工步拔长端部,砧间距保持360mm不变,压下8次,每次坯料转动45°;第7工步至第10工步拔长小台阶,砧间距依次为 535mm、475mm 、415mm、360mm,每工步压下4次,每次坯料转动45°;第11工步滚圆小台阶,砧间距保持 360mm不变,压下 12次,每次坯料转动30°;第12工步拔长端部,砧间距保持360mm 不变,压下8次,每次坯料转动 45°。

3.3 数值模拟

根据上述拔长台阶的工艺过程,运用DEFORM软件进行数值模拟。在模拟时,将锻件从辊身一半处剖开,仅分析其右侧部分的变形。选取砧子送进量一半处的横截面,并在其上选取中心点P1和1/2半径上位于x轴的点P 2及位于y轴的点P 3、P4(图1)。模拟结果见表1,表中应力与应变数值分别保留小数点后一位与三位。

表1 拔长大台阶时模拟结果

3.3.1 模拟结果分析

(1)坯料内部应力状态较好。x向(横向)除第1道次时P2点存在较小的拉应力外,其他道次时均为压应力,而且压应力数值随变形的增加而增大;z向(轴向)仅在第1道次、第4道次时,轴心区域存在较小的拉应力,其他道次时均为压应力,有利于中心压实。

(2)坯料心部变形较好。第1道次时,横截面上变形差异大,P4点的等效应变最小,仅为P3点的32.03%,中心点P1的等效应变为P3点等效应变的57.81%;随着变形的进行,横截面上各点的变形差异程度逐渐减小,第8道次时,最小等效应变达到最大值的83.11%;第16道次时,中心点的等效应变已经达到最大值的96.90%。表明中心区域的锻透效果较好。

上平下V形砧拔长小台阶与拔长大台阶情况基本相同,坯料内部应力状态较好,而且等效应力明显增大,有利于进一步压实。

3.3.2 轴线偏移模拟及分析

在建立的三维数模中,选取辊身中面(左端面)中心点作为基准点O0(x0,y0),选取锻坯右端面中心点O1(x1,y1)作为观测点,计算出O1点相对O0点的初始偏移量x、y。在锻造过程中,测量每次压下后基准点O0和观测点O1的新坐标,计算出x、y方向的新偏移量,最后绘制出其变化轨迹。图4所示为φ1365支撑辊右侧大台阶由φ1120拔长至φ815过程中变形部分轴线的偏移情况,图中第一个点的数值为初始偏移量,后续每个点对应的数值为相应压下道次的偏移量。由图4可知：在压下8次(完整一周)后,x、y方向的偏移量基本回到初始值;滚圆时压下12次后,偏移量亦回到初始值;拔长端部压下8次后,偏移量同样回到初始值。该结果说明,按此工艺操作,轴线基本不偏。

图4 观测点相对基准点的偏移

3.3.3 改变压下量时的模拟

(1)增加第一周压下量。保持拔长时转动角度不变,将第一周的压下量增加至140mm,第二周压下量减小至50mm。拔长结束时,由变形部分轴线的偏移情况(图5)可知：第一周后,观测点与基准点 x、y方向的偏移量分别为43.83mm、89.23mm;第二周结束时x、y方向的偏移量分别为42.70mm、7.87mm;滚圆后,x、y方向的偏移量仍为39.34mm和73.71mm。

图5 大压下量时观测点相对基准点的偏移

(2)减小第一周压下量。锻造辊身右侧大台阶时,保持转动角度45°,将第一周压下量减小至100mm,坯料内部应力应变结果如表2所示。与表1结果相比可知：横截面上的横向应力变差,第4道次时P1、P2点处存在较大的拉应力,第8道次的横向压应力数值较小;轴向始终存在拉应力,其中第4道次、第8道次的最大轴向拉应力超过等效应力的 30%,数值较大,不利于中心区域的压实。

表2 压下量100mm时大台阶拔长模拟结果

4 生产实践

按表1给定的工艺参数,中原特钢股份有限公司使用上平下V形砧工艺锻造了图3所示的支承辊辊身两侧的台阶,生产4件,全部通过超声波探伤,台阶拔长后变形部分的轴线偏移量均小于20mm,满足要求。

上下砧子之间的距离依次为 830mm、745mm、685mm、630mm,每工步压下 4次,每次坯料转动45°;第5工步滚圆,砧间距 360mm,压下12次,每次坯料转动 30°;第6工步拔长端部,砧间距保持360mm不变,压下8次,每次坯料转动45°;第7工步至第10工步拔长小台阶,砧间距依次为535mm、475mm 、415mm、360mm,每工步压下4次,每次坯料转动45°;第11工步滚圆小台阶,砧间距保持360mm不变,压下12次,每次坯料转动 30°;第12工步拔长端部,砧间距保持360mm 不变,压下8次,每次坯料转动45°。

5 结论

(1)提出了上平下V形砧拔长圆轴的基本操作原则：压下量大于10%;变形一周转动次数为偶数,前后半周的首次压下量相等;转动角度应与压下量合理匹配。

(2)给出了上平下V形砧拔圆时转动角度与相对压下量的匹配关系,压下量匹配得当,可以同时控制变形区锻造性能与消除轴线偏移;保持转动角度不变,压下量过大时轴线偏移量大,压下量过小时内部应力状态变差。

(3)模拟结果与生产实践同时证明,上平下V形砧拔长圆轴的关键技术可行,按此制订工艺,生产的锻件经超声波探伤证实为合格,锻造中变形部分的轴线偏移量可控制在要求值之内。

[1] 刘助柏,张庆,王连东,等.锻造理论与工艺的进展[J].燕山大学学报,2000,24(4)：294-301.

[2] 梁晨,刘助柏,王连东.新FM法拔长的临界砧宽比、临界料宽比及工艺参数研究[J].机械工程学报,2003,39(12)：154-157.

[3] 王雷刚.大型汽轮机转子锻造工艺模拟与智能CAPP[D].秦皇岛：燕山大学,2002.

[4] 付强.轴类锻件锻造过程的数值模拟研究[D].上海：上海交通大学,2008.

[5] 张志文.锻造工艺学[M].北京：机械工业出版社,1983.