特大型船用曲軸成形的多向模鍛工藝

曹峰華, 任 杰, 牛龍江

(上海電機(jī)學(xué)院 材料學(xué)院, 上海 201306)

大型船用曲軸是大型船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,隨著造船業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型船用曲軸需求量巨大[1-3]。曲軸工作時(shí)始終承受交變載荷的作用，服役環(huán)境惡劣，性能要求高[4，5]。制造優(yōu)良性能的曲軸一直是各國(guó)從業(yè)人員研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

大型曲軸尺寸及質(zhì)量巨大，單件曲軸質(zhì)量達(dá)數(shù)十乃至百余t，難以整體鍛造成形，一般采用半組合式結(jié)構(gòu)，即由輸出端軸頸、自由端軸頸、中間主軸頸和曲拐組成[6，7]。而其中的曲拐由于質(zhì)量大、性能要求高、成形困難是整個(gè)曲軸制造的關(guān)鍵難點(diǎn)。大型曲拐的毛坯自由鍛成形有環(huán)鍛法、塊鍛法及彎鍛法等[8-11]。前兩種方法鍛造時(shí)留有大量的余塊，后續(xù)機(jī)械加工量大、成本高。在機(jī)械加工的過程中，金屬纖維被切斷，鍛件的性能難以得到保證。因此，目前各國(guó)已經(jīng)基本不采用這兩種方法成形。彎鍛法由于成形簡(jiǎn)單，操作方便，所得鍛件金屬纖維完整，是目前應(yīng)用較廣泛的曲拐成形方法。但彎鍛法也存在諸多不足，如成形過程中容易出現(xiàn)折疊、縮腰、減薄等缺陷[12-16]，并且曲拐銷部難以按零件形狀成形，導(dǎo)致材料利用率仍然很低。日本室蘭制鋼所于20世紀(jì)80年代曾采用插板模鍛曲拐，該方法原理簡(jiǎn)單，鍛造工序少，質(zhì)量和材料利用率都得到大幅度提升。但該成形方法模具裝拆操作復(fù)雜；后續(xù)脫模困難，不斷增加的曲拐新品種及單件小批量的訂貨又導(dǎo)致模具成本較高。因此，該方法目前應(yīng)用較少。為提高成形精度、性能質(zhì)量和成本效率，研究一種成形件質(zhì)量高、成本低的曲拐制造方法，是大型曲軸乃至船舶行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)課題。

多向模鍛作為一種節(jié)能省材、加工精密的制造技術(shù)，已經(jīng)被應(yīng)用于諸多鍛件的成形。它是在多向模鍛液壓機(jī)上，利用多分模面的組合模鍛，使加熱后的毛坯在壓機(jī)一次行程的作用下，形成高精度的形狀復(fù)雜鍛件的專用工藝[17-19]。本文以減少加工余量、提高材料利用率為目的，提出了一種特大型船用曲拐成形的多向模鍛工藝。利用數(shù)值模擬及物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，驗(yàn)證分析了該工藝的可行性，對(duì)后續(xù)低成本生產(chǎn)曲拐有重要指導(dǎo)意義。

1 曲拐多向模鍛工藝設(shè)計(jì)

1.1 曲拐多向模鍛工藝方案

結(jié)合曲拐的幾何特征，利用多向模鍛液壓機(jī)垂直方向能提供合模力及穿孔力的特點(diǎn)，本曲拐多向模鍛成形設(shè)計(jì)了兩步工序：工序1曲拐銷成形，將經(jīng)過預(yù)鍛的熱態(tài)毛坯放入模腔內(nèi)，合模后利用穿孔缸連接的壓實(shí)模直接強(qiáng)壓型腔內(nèi)的熱毛坯,使坯料充滿型腔，一方面有利于毛坯內(nèi)疏松及空洞的壓實(shí)，另一方面可以成形曲拐銷；工序2曲拐臂成形，更換壓實(shí)模為擠壓凸模，將工序1所得預(yù)鍛鍛件周身切皮3 mm,其目的是為了使終鍛坯料容易再次放入型腔，將終鍛坯料回爐加熱至固定溫度，熱態(tài)料放入型腔，利用擠壓凸模反擠壓成形曲拐臂。

1.2 曲拐多向模鍛工裝設(shè)計(jì)

根據(jù)上述工藝方案，所設(shè)計(jì)的曲拐多向模鍛成形工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。工裝主要包括：上合模套、模腔、下合模套、凹模及附件等，上合模套由上合模板通過擋板、連接銷與下插件連接而成。模腔由動(dòng)半模腔和靜半模腔閉合而成，其中動(dòng)半模腔固定在下合模套上，靜半模腔固定在墊板上。上合模套與多向模鍛壓機(jī)橫梁固定連接，壓實(shí)模、擠壓凸模先后與穿孔缸固定連接。該工裝結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是無需單獨(dú)增加脫模工序，在鍛造完成后利用氣缸可以直接將模具與鍛件分離，并且可以通過調(diào)節(jié)脫模板及墊板的尺寸來成形不同尺寸的曲拐。節(jié)約了因尺寸不同而增加的模具成本。

工藝過程：按要求連接各部件，將工裝放置在壓力機(jī)工作臺(tái)，定位對(duì)中，氣缸拉動(dòng)下合模套至固定位置，使動(dòng)半模腔、靜半模腔及凹模形成一個(gè)開口向上的型腔。放入熱態(tài)坯料，上合模套在壓機(jī)橫梁的帶動(dòng)下，下行固定動(dòng)、靜半模型腔；裝有壓實(shí)模的穿孔缸下行壓實(shí)至預(yù)定位置；穿孔缸、合模缸先后回程、移動(dòng)工作臺(tái)開出，氣缸推動(dòng)下合模套開模，取出工件待冷，工序1完成。將冷卻后的預(yù)鍛坯周身切皮3 mm，進(jìn)爐加熱保溫，同時(shí)將壓實(shí)模更換成擠壓凸模，移動(dòng)工作臺(tái)開入，裝料、合模，進(jìn)行反擠壓。取料過程與工序1相同。至此，曲拐的成形完成。

圖1曲拐多向模鍛成形原理工裝結(jié)構(gòu)圖

1.3 坯料設(shè)計(jì)

本文以70機(jī)曲拐零件圖為例，在相應(yīng)的區(qū)域放置余量或余塊，所得鍛件如圖2所示，利用多向模鍛成形的鍛件的材料利用率可達(dá)68%，相比彎鍛成型工藝，材料利用率得到大幅度提升。利用鋼錠鍛造下料制成如圖3所示毛坯。

圖2 曲拐鍛件圖

圖3 曲拐毛坯圖

2 曲拐多向模鍛工藝成形有限元分析模型

船用曲拐材料為S34MnV，將測(cè)定的S34 MnV應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線導(dǎo)入forge軟件。為簡(jiǎn)化模擬計(jì)算，工裝的輔助部件均略去，僅保留型腔、凹模、凸模。取1/2的模型進(jìn)行計(jì)算。坯料選用四面體網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)98 664個(gè)。曲拐的多向模鍛分2個(gè)工序：壓實(shí)與反擠壓，其有限元模型如圖4所示。

圖4曲拐多向模鍛工藝成形有限元分析模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 金屬流動(dòng)規(guī)律分析

圖5(a)和圖5(b)為壓實(shí)過程的金屬流動(dòng)情況。整個(gè)壓實(shí)過程中，坯料中部金屬變形量較小，與凸模接觸的上端部坯料及與凹模接觸的下端部坯料金屬流動(dòng)較快，產(chǎn)生較大變形，下端部坯料被擠入凹模型腔形成曲拐銷，上端部坯料被壓成預(yù)定弧形狀。圖5(c)和圖5(d)為反擠壓過程的金屬流動(dòng)情況，兩曲臂金屬隨著擠壓凸模的下行而向上流動(dòng)，直至預(yù)定高度。

圖5成形不同階段的速度分布圖

3.2 等效應(yīng)變分析

從圖6等效應(yīng)變分布云圖可以看出：壓實(shí)階段，坯料主要塑性變形區(qū)集中在與凸模接觸的上端部及與凹模接觸的下端部，擠壓階段主要塑性變形區(qū)集中在與擠壓凸模接觸的兩曲臂。在整個(gè)變形過程中，擠壓凸模底部接觸的坯料變形最激烈，此處等效應(yīng)變值最大。

4 實(shí) 驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證工藝方案的可行性，在6.5 MN多向模鍛液壓機(jī)(合模缸5 MN、穿孔缸1.5 MN)上進(jìn)行了1∶10比例實(shí)驗(yàn)，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用多向模鍛成形曲拐鍛件效果良好，所設(shè)計(jì)的方案切實(shí)可行。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 結(jié)合多向模鍛液壓機(jī)的特點(diǎn)，提出了大型曲拐的多向模鍛成形工藝方案，并設(shè)計(jì)了成形工裝。成形鍛件材料利用率達(dá)68%，較目前彎鍛工藝，材料利用率得到大幅度提升。

(2) 利用forge軟件對(duì)曲拐的多向模鍛成形過程進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬，分析了金屬流動(dòng)情況和等效應(yīng)變變化規(guī)律。

(3) 利用6.5 MN多向模鍛液壓機(jī)進(jìn)行了1∶10比例實(shí)驗(yàn)，成形效果良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了工藝方案的可行性。

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