電鐓工藝在成形大型船用氣閥中的研究進(jìn)展

蔣倩 蔣立鶴 盛雪 權(quán)國(guó)政

摘要： 在氣閥件的成形過程中，電熱鐓粗過程作為其中一個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)，對(duì)氣閥件的成品率和性能都有極其重要的影響。本文概括綜述了電鐓工藝的研究進(jìn)展，并著重分析了電鐓工藝成形大型氣閥的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展。希望能給相關(guān)工作者提供參考。

Abstract： In the forming process of valve parts， the electric upsetting process is one of the important technological links， which has an extremely important influence on the yield and performance of the valve parts. This article summarizes the research progress of the electric upsetting process， and focuses on the analysis of the current domestic and foreign research status and the latest development of the electric upsetting process for forming large gas valves. Hope to provide reference for relevant workers.

關(guān)鍵詞： 電鐓工藝;大型船用氣閥;有限元模擬

Key words： electric upsetting process;large marine valve;finite element simulation

中圖分類號(hào)：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0020-02

0? 引言

近年來，輪船制造業(yè)和汽車領(lǐng)域的高速發(fā)展，對(duì)其重要部件內(nèi)燃機(jī)的綜合性能要求越來越高。氣閥是內(nèi)燃機(jī)燃燒室進(jìn)氣排氣的關(guān)鍵部件，在高溫、高壓、重載的環(huán)境中工作，必須具有足夠的機(jī)械性能、耐腐蝕性;另外還存在氣閥桿部和導(dǎo)管之間的摩擦磨損，必須有較強(qiáng)的耐磨性。

發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥是一種典型具有超大變截面的細(xì)長(zhǎng)桿類零件，其頭部與桿部橫截面積相差非常大。氣閥的成形工藝主要有兩種：一種是熱擠壓后模鍛成型，另一種是電熱鐓粗制坯后模鍛成型。其中，由于電鐓工藝加熱效率高，所需載荷較小，成本更低，非常適用于氣閥這樣的大截面成型過程，故這個(gè)工藝在氣閥成形上應(yīng)用更為廣泛。

1? 電鐓工藝的研究現(xiàn)狀

圖1展示了電鐓工藝原理示意圖，電鐓工藝是利用局部連續(xù)自阻加熱的精確聚料預(yù)成形。電鐓作為一種極好的電輔助預(yù)成形工藝，不僅能在棒材上產(chǎn)生局部增大的直徑，而且其成形的工件無需進(jìn)一步加熱即可鍛造。

電鐓工藝具備控制精度好、材料消耗少、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，使其迅速的在相應(yīng)零件生產(chǎn)中投入使用。如氣閥、半軸、齒輪軸等。電鐓工藝中設(shè)計(jì)大量的工藝參數(shù)，如何調(diào)整配合各工藝參數(shù)是電鐓工藝的重點(diǎn)研究，近幾年國(guó)內(nèi)外都結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)其有了一定的理論研究。俄羅斯L.A.Kommel等人通過理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)鈦合金板進(jìn)行電鐓，從研究鈦合金板電鐓過程中的變形到電鐓后的結(jié)構(gòu)與性能，最終確定了電鐓成形中頂鐓力會(huì)影響制件的塑性變形。Michael Terhorst等人將數(shù)學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，從而確定了電鐓坯料與模具之間摩擦力的影響機(jī)制，進(jìn)一步使用潤(rùn)滑劑改善了電鐓件的質(zhì)量。肖小亭，孫友松等人致力于解決電鐓成形過程中的缺陷（裂紋、波紋等），在確定缺陷產(chǎn)生原因的同時(shí)，研究出可以精確控制電鐓加載電流、鐓粗力等指標(biāo)的電鐓機(jī)。國(guó)外學(xué)者Pattarapong Nuasri等曾將電鐓過程中的影響因素總結(jié)為砧子速度、鐓粗加載和加熱電壓。Sukjantha，Nuasri，H.S. Jeong等人在大量的電鐓有限元模擬下，總結(jié)出一套電鐓工藝參數(shù)的影響機(jī)制，完成了可以預(yù)測(cè)較優(yōu)電鐓方案的目標(biāo)，并解決了電鐓過程中二次鐓粗缺陷的產(chǎn)生。同樣，國(guó)內(nèi)學(xué)者胡亞明等探究了一系類電鐓工藝參數(shù)的估算方法，包括加載電流、毛坯長(zhǎng)度、頂鐓力等，并介紹了這些工藝參數(shù)的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)。

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的試錯(cuò)法雖然適用，但其效率、經(jīng)濟(jì)性卻不在滿足。有限元模擬技術(shù)逐漸登上了研究的舞臺(tái)。有限元模擬可以宏觀的預(yù)測(cè)電鐓成形中缺陷的產(chǎn)生，從而可以很好的在實(shí)際應(yīng)用中避免。

鄺衛(wèi)華等人提出了變體積劃分電鐓成形的模型網(wǎng)格，解決了模擬仿真時(shí)會(huì)出現(xiàn)的網(wǎng)格畸變問題同時(shí)也完善了電鐓有限元模型。章爭(zhēng)榮等人綜合運(yùn)用變體積和動(dòng)態(tài)劃分網(wǎng)格技術(shù)探究了電鐓成形過程中加載電流的分布問題，針對(duì)由于變形劇烈、局部過熱問題產(chǎn)生的網(wǎng)格畸變提出了相應(yīng)的解決方法。電鐓成形是多場(chǎng)耦合的復(fù)雜過程，有限元模擬很難將電-熱-結(jié)構(gòu)三場(chǎng)同時(shí)考慮在內(nèi)。劉勇證實(shí)可以通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的算法來優(yōu)化電鐓模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)預(yù)測(cè)電鐓工藝參數(shù)的取值范圍是可行的。學(xué)者權(quán)國(guó)政在MSC.Marc軟件的幫助下建立了電-熱-結(jié)構(gòu)三場(chǎng)耦合電鐓模型，著重分析了電鐓成形過程中二次鐓粗缺陷的產(chǎn)生，通過創(chuàng)建分段加載電流輸入法，完美的解決了相關(guān)缺陷。鐘慧文等學(xué)者則是從另一方面成功的建立了電、熱多場(chǎng)電鐓數(shù)值模型，從數(shù)值流形方法計(jì)算深入多場(chǎng)耦合機(jī)制，進(jìn)而建立了電鐓數(shù)值模型分析了其規(guī)律分布。

2? 電鐓工藝在大型船用氣閥的研究現(xiàn)狀

近些年，對(duì)原動(dòng)機(jī)的要求越來越高，大功率、高可靠、低成本成為人們追求的目標(biāo)，氣閥制件的桿徑及截面變化率不斷增加，對(duì)材料強(qiáng)韌、耐熱、耐蝕性的要求也是愈加嚴(yán)格，電鐓參數(shù)規(guī)格也是不斷變化。在大規(guī)格的電鐓參數(shù)加載模式下，制件往往具有組織缺陷（晶粒粗大、晶粒分布不均）或是形狀不好控制等問題。電鐓參數(shù)多且成形過程不好協(xié)調(diào)。為解決此問題，電鐓成形過程中制件的幾何-組織變化規(guī)律成為眾多學(xué)者首先重點(diǎn)關(guān)注的問題。

汪國(guó)順、夏巨諶分別運(yùn)用ANSYS和DEFORM軟件模擬電鐓成形不同階段的變形和溫度場(chǎng)，由此提出了氣閥的工藝優(yōu)化方案。并未真正將電、熱、結(jié)構(gòu)三場(chǎng)耦合模擬。王媛妮研究材質(zhì)為85Cr18Mo2V的氣閥電鐓過程，并使用DEFORM有限元軟件建立了電鐓鍛數(shù)值模型，詳細(xì)的研究了在不同溫度和鐓粗速度下模鍛時(shí)金屬的流動(dòng)情況及應(yīng)力應(yīng)變。邱慧敏研究氣閥電鐓變形參數(shù)對(duì)幾何形狀和晶粒晶界目標(biāo)的影響規(guī)律，從而達(dá)到對(duì)超合金氣閥坯電鐓外形調(diào)控的目的，解決一些氣閥件在電鐓制作中的缺陷。陳文彬等人為方便對(duì)氣閥制坯，解決成型過程中出現(xiàn)的一些晶粒粗大和形狀上的缺陷，對(duì)電鐓成形裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置側(cè)模輔助裝置。另辟蹊徑，對(duì)解決氣閥預(yù)制坯的缺陷問題提供新思路。

3? 電鐓工藝在大型船用氣閥應(yīng)用新進(jìn)展

大型氣閥預(yù)成型的形狀和晶粒大小需要經(jīng)過嚴(yán)格控制，最常見的就是通過工藝參數(shù)去調(diào)控?，F(xiàn)階段的進(jìn)展，對(duì)于重要工藝參數(shù)如電流和力，采用多分段漸變成形工藝，即將頂缸的行程設(shè)置為10段以上，對(duì)每段行程加載不同的工藝參數(shù)值。通過這種細(xì)分的方式去完成電鐓過程，實(shí)現(xiàn)電鐓成形過程中的穩(wěn)定變形和細(xì)小的晶粒。

圖2所示為多分段漸變成形的設(shè)置曲線，其中，鐓粗力和加載電流都不是一成不變的。鐓粗力太過小時(shí)難以達(dá)到模鍛所需變形量，但鐓粗力太大時(shí)，將更容易使坯料失穩(wěn)或半徑過大而導(dǎo)致在模鍛中填充困難。所以電鐓進(jìn)行過程中需要的鐓粗力并不是恒定不變的。同理，隨著通電時(shí)間的加長(zhǎng)，坯料的溫度會(huì)持續(xù)升高，故電鐓的電流使用恒定不變的電流值將要么使坯料過熱，要么導(dǎo)致塑性過低而變形困難。如圖3、圖4所示為這種方式成形出的件的最終形狀和晶粒尺寸，可以看出這種方式成形的坯料形狀好，晶粒尺寸控制好。

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