大型船用S34MnV曲拐彎鍛成形工藝缺陷分析

張振威 鄭 椿

(1.中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院，浙江315103；2.合肥工業(yè)大學(xué) 航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽230009；3.青拓集團(tuán)有限公司，福建355000)

由于大型船用曲拐形大體重，材料內(nèi)外性能不均，彎鍛成形過(guò)程易產(chǎn)生多種缺陷。彎曲成形過(guò)程中，材料流動(dòng)不暢導(dǎo)致內(nèi)開(kāi)檔非常容易出現(xiàn)折疊，而且曲拐臂側(cè)面常出現(xiàn)“細(xì)腰”和“鼓肚”等缺陷，造成鍛件加工余量不均勻，嚴(yán)重影響曲拐鍛件的質(zhì)量，甚至導(dǎo)致鍛件報(bào)廢。為了使這些缺陷不影響最終鍛件的成形質(zhì)量，一些企業(yè)采取加大曲拐的鍛造余量，從而導(dǎo)致了鍛坯的材料利用率很低[1]。Hanawa等[2]采用有限元和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)曲拐服役條件下的應(yīng)力狀況進(jìn)行了研究，得到曲臂與曲柄銷連接部位是曲軸工作時(shí)承受最大交變載荷區(qū)域；顏建軍等[3]采用元胞自動(dòng)機(jī)法研究了曲拐彎鍛成形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程；孫明月等[4]采用模擬和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)船用曲軸曲拐彎鍛過(guò)程進(jìn)行了研究。

本文結(jié)合以上研究，在Gleeble-3500型熱模擬機(jī)對(duì)S34MnV鋼進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，建立了S34MnV鋼高溫本構(gòu)方程，對(duì)彎鍛法生產(chǎn)S34MnV曲拐過(guò)程中出現(xiàn)的“喇叭口”、“細(xì)腰”、“鼓肚”等缺陷進(jìn)行有限元模擬分析，對(duì)曲拐彎鍛毛坯形狀和模具參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為彎鍛法生產(chǎn)大型船用S34MnV曲拐提供了技術(shù)參考。

1 本構(gòu)模型的建立

試驗(yàn)材料為大型船用曲軸S34MnV專用鋼[5]，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C0.32，Mn1.27，Si0.22，P0.0039，S0.0007，Ni0.23，Cr0.27，Mo0.17，V0.084。在Gleeble-3500熱模擬機(jī)上對(duì)S34MnV鋼試樣進(jìn)行單道次熱壓縮試驗(yàn)，變形溫度為950℃、1000℃、1050℃、1100℃和1150℃，應(yīng)變速率為0.005 s-1、0.05 s-1、0.5 s-1和5 s-1。S34MnV鋼的材料本構(gòu)模型選取包含變形激活能和溫度的雙曲正弦形式的修正Arrhenius高溫流動(dòng)本構(gòu)模型[6-7]：

(1)

(2)

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到本構(gòu)模型如下：

exp(-328833.3/RT)

(3)

2 船用S34MnV曲拐的彎鍛成形模擬分析

本文以大型船用S34MnV曲拐為研究對(duì)象，分析其在彎曲成形過(guò)程的主要缺陷。其鍛件圖見(jiàn)圖1，初始毛坯圖見(jiàn)圖2。

圖1 S34MnV曲拐鍛件圖Figure 1 Diagram of S34MnV crank forging

圖2 S34MnV曲拐彎鍛毛坯圖Figure 2 Blank of S34MnV crank for bending and forging

圖3 有限元模型Figure 3 Finite element mode

根據(jù)S34MnV曲拐彎鍛初始毛坯圖，通過(guò)SolidWorks三維軟件進(jìn)行建模，結(jié)合彎鍛毛坯形狀，其毛坯呈左右對(duì)稱，為了簡(jiǎn)化有限元計(jì)算，取1/2模型建模，在SolidWorks中將模型以stl格式導(dǎo)出，然后再將stl文件導(dǎo)入到DEFORM-3D軟件，見(jiàn)圖3，然后進(jìn)行模擬前處理設(shè)置。將建立的S34MnV本構(gòu)方程導(dǎo)入材料庫(kù)，鍛造工件采用DEFORM-3D軟件自帶的網(wǎng)格剖分程序四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分27043個(gè)單元，工件初始溫度設(shè)定為1200℃，模具初始溫度設(shè)定為80℃。

按照?qǐng)D3裝配關(guān)系進(jìn)行曲拐有限元彎鍛成形模擬，研究表明[8]，彎曲成形后曲柄兩臂夾角取60°時(shí)壓平后鍛件缺陷最小，成形質(zhì)量較好，彎鍛工藝亦采用此角度參數(shù)。本文各組彎鍛模擬均取彎曲角為60°進(jìn)行模擬，如圖4(a)所示，模擬結(jié)束后在鍛件表面出現(xiàn)了缺陷1“喇叭口”、缺陷2“凹坑”、缺陷3“細(xì)腰”、缺陷4“凸起”、缺陷5“鼓肚”5處缺陷。圖4(b)為S34MnV曲拐彎鍛成形等效應(yīng)變分布圖，最大的等效應(yīng)變區(qū)域在曲拐內(nèi)開(kāi)檔部位，曲拐臂末端無(wú)應(yīng)變。圖4(c)為S34MnV曲拐彎鍛成形等效應(yīng)力分布圖，最大等效應(yīng)力為95 MPa，最大區(qū)域分布在曲拐彎曲部位，曲拐臂末端等效應(yīng)力為0。可以看出彎鍛毛坯變形主要發(fā)生在曲拐內(nèi)開(kāi)檔及曲拐臂外側(cè)貼模部位，彎鍛毛坯受到上模和下模擠壓，接觸部位變形量較大，而曲拐臂末端則隨著上模的壓下自由旋轉(zhuǎn)，做無(wú)變形的剛體運(yùn)動(dòng)。

利用“反變形法”對(duì)彎鍛毛坯和下模進(jìn)行優(yōu)化，以減小或消除彎鍛成形過(guò)程出現(xiàn)的5處缺陷。曲拐彎鍛成形過(guò)程中缺陷1產(chǎn)生的原因主要是曲拐內(nèi)開(kāi)檔在彎曲過(guò)程中毛坯與上模接觸部分材料較多，當(dāng)上模壓入彎鍛毛坯后，金屬材料流動(dòng)不順暢，形成“喇叭口”，在曲拐內(nèi)開(kāi)檔呈現(xiàn)出凸起與凹坑的褶皺缺陷，而這種缺陷在后續(xù)壓平工序中很難消除，對(duì)于缺陷1可采用“反變形法”在彎鍛毛坯上表面對(duì)稱中心區(qū)域開(kāi)凹槽，預(yù)先去除一部分多余的金屬材料，見(jiàn)圖5(a)中Ⅰ處。凹槽尺寸用B×H表示，B表示凹槽的寬度，H表示凹槽的深度。凹槽寬度B固定不變，凹槽深度H取20mm、40 mm、60 mm、80 mm，通過(guò)模擬得出最佳凹槽深度為40 mm；然后凹槽深度H取40 mm固定不變，凹槽寬度B取200 mm、250 mm、300 mm、350 mm進(jìn)行模擬，通過(guò)一系列模擬計(jì)算得到：當(dāng)凹槽尺寸B×H=300 mm×40 mm時(shí)，該方法可以有效減小該缺陷。

圖4 初始毛坯模擬結(jié)果Figure 4 Initial blank simulation results

圖5 優(yōu)化方案Figure 5 Optimization scheme

第2處缺陷在曲拐兩臂外側(cè)呈現(xiàn)凹坑形狀，造成此處凹坑缺陷是由于曲拐毛坯在彎曲開(kāi)始時(shí)，曲拐臂金屬材料與下模接觸，隨著上模運(yùn)動(dòng)不斷增加，毛坯逐漸開(kāi)始彎曲，毛坯與下模肩部接觸的材料逐漸向下模圓角位置接近，下模圓角不斷擠壓毛坯該處金屬材料，使此處金屬材料發(fā)生塑性變形，彎鍛結(jié)束后，在此處形成凹坑缺陷。對(duì)于缺陷2可以更改下模圓角半徑中R1來(lái)消除，見(jiàn)圖5(b)。下模圓角半徑取R1=200 mm、250 mm、300 mm進(jìn)行有限元模擬，發(fā)現(xiàn)下模的圓角半徑越小，毛坯與下模圓角接觸的金屬材料單位面積上接觸的反作用力就越大，造成的凹坑缺陷相對(duì)深度也就越大，對(duì)鍛件質(zhì)量影響也較大，當(dāng)下模圓角半徑R1=300 mm時(shí)此缺陷基本消除。

由圖4(c)可知，缺陷3處應(yīng)力較大，此處在彎鍛初始毛坯中為折角，在彎鍛過(guò)程中容易形成應(yīng)力集中，彎鍛結(jié)束后在曲拐外側(cè)呈現(xiàn)“細(xì)腰”現(xiàn)象。對(duì)于此處缺陷可通過(guò)修改毛坯形狀來(lái)改善，如圖5(a)中將尖角改為過(guò)渡圓角R2，當(dāng)把尖角改為圓角后一方面可以減緩此處應(yīng)力集中現(xiàn)象，另一方面使得此處毛坯材料增多，可以填補(bǔ)彎鍛后減薄的缺陷。取毛坯過(guò)渡圓角R2=150 mm、200 mm、250 mm進(jìn)行有限元模擬，當(dāng)R2=200 mm時(shí)，此處減薄缺陷可以滿足鍛件圖要求。

彎鍛后缺陷4在曲拐臂根部?jī)蓚?cè)端面呈現(xiàn)展寬現(xiàn)象。主要原因是上模與毛坯在此處接觸，彎鍛過(guò)程中該處變形力較大，隨著彎曲的進(jìn)行，上模不斷擠壓毛坯材料，根據(jù)最小阻力定律，坯料金屬質(zhì)點(diǎn)將向著阻力最小的方向移動(dòng)，即該處金屬材料優(yōu)先流向無(wú)阻力的端面，彎鍛結(jié)束后，在該處形成凸起缺陷。對(duì)于缺陷4，通過(guò)分析可通過(guò)修改毛坯形狀如圖5(a)中Ⅱ處，在毛坯材料對(duì)稱中心的端部開(kāi)凹槽減小該缺陷，使之符合鍛件圖要求。

缺陷5是毛坯在彎曲時(shí)曲拐臂兩側(cè)多余的材料鼓脹出來(lái)，呈現(xiàn)出“鼓肚”現(xiàn)象。主要原因是該處金屬材料在毛坯彎曲時(shí)，未與下模壁接觸，毛坯內(nèi)部金屬材料將優(yōu)先流向阻力較小的表面自由變形區(qū)，造成該處曲拐臂外側(cè)凸起。此處缺陷可以通過(guò)更改下模壁傾角如圖5(b)中θ角來(lái)控制毛坯在彎曲時(shí)該處金屬的流動(dòng)空間，限制毛坯金屬材料的流動(dòng)，取θ=10°、15°、20°進(jìn)行模擬，通過(guò)模擬得到當(dāng)θ=20°時(shí)坯料與下模壁接觸較好，彎曲結(jié)束時(shí)“鼓肚”現(xiàn)象基本消除。

圖6 優(yōu)化后模擬結(jié)果Figure 6 Simulation results after optimization

通過(guò)對(duì)初始毛坯形狀和模具參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，其模擬結(jié)果如圖6所示，可以看出鍛件彎曲變形后，成形缺陷基本消失或減小。圖6(a)和(b)分別為優(yōu)化后等效應(yīng)變分布圖和等效應(yīng)力分布圖，可以看出變形主要集中在內(nèi)開(kāi)檔底部區(qū)域和曲拐臂外側(cè)貼模部位，等效應(yīng)變和等效應(yīng)力有所增加，這是因?yàn)橄履５膮?shù)修改，使得彎鍛毛坯更好的與下模接觸，控制毛坯的成形空間，使毛坯向著設(shè)計(jì)的方向發(fā)生塑性變形；圖6(c)和(d)為溫度場(chǎng)分布圖和速度場(chǎng)分布圖，可以看出在毛坯和上下模具接觸的地方溫度較低，這是由于熱變形時(shí)，工件與模具溫差較大，工件在接觸表面會(huì)產(chǎn)生熱量損失，而工件局部溫度達(dá)到1210℃是因?yàn)樵谒苄宰冃芜^(guò)程中，塑性變形功轉(zhuǎn)化成了熱能，造成局部溫度升高。通過(guò)彎鍛毛坯和模具的優(yōu)化，S34MnV曲拐工件表面成形質(zhì)量有所改善，已基本消除或減少?gòu)濆懗尚芜^(guò)程中出現(xiàn)的5處主要缺陷，且滿足鍛件要求。

3 結(jié)論

彎鍛法是半組合式生產(chǎn)曲軸常用的方法，本文通過(guò)Gleeble-3500型熱模擬機(jī)對(duì)S34MnV鋼進(jìn)行了熱壓縮試驗(yàn)，利用DEFORM-3D有限元分析軟件對(duì)船用S34MnV曲拐彎鍛成形過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)熱壓縮試驗(yàn)，建立了S34MnV鋼高溫本構(gòu)方程：

exp(-328833.3/RT)

(2)在曲拐內(nèi)開(kāi)檔和曲拐臂兩側(cè)出現(xiàn)了成形缺陷，在毛坯上表面中心開(kāi)B×H=300 mm×40 mm的凹槽可以消除成形過(guò)程中出現(xiàn)的“喇叭口”缺陷；“細(xì)腰”現(xiàn)象可將毛坯尖角改為圓角來(lái)減小缺陷且最佳圓角半徑R=200 mm；“鼓肚”現(xiàn)象可通過(guò)更改下模內(nèi)壁傾角θ，當(dāng)θ=20°時(shí)可消除此缺陷。