定寬壓力機曲軸鍛造工藝研究

熊 杰

(寶鋼股份公司設備部，上海 201900)

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定寬壓力機曲軸鍛造工藝研究

熊 杰

(寶鋼股份公司設備部，上海 201900)

大鍛件作為大型設備的重要部件，其質量好壞直接影響設備的正常運行和安全性。本文以某廠的定寬壓力機曲軸為研究對象，制定了曲軸的鍛造工藝路線。應用數值模擬軟件Deform-3D建立其有限元模型，分析了鐓粗和拔長過程中鍛件的應力場、應變場。采用該工藝能滿足鍛件對鍛比的要求，鐓粗時采用47%的壓下量，能很大程度消除鑄造缺陷，拔長時選擇較大的砧寬和接砧量，能夠使等效應變沿軸向更為均勻。

定寬壓力機；曲軸；鍛造工藝；鐓粗；拔長

0 前言

定寬壓力機是熱軋板坯調寬的重要設備，目前我國的定寬壓力機均由國外供貨，造價極其昂貴。為打破國外壟斷，需要自主研究定寬壓力機關鍵部件的制造工藝。曲軸是定寬壓力機的關鍵部件之一，在工作過程中需要承受反復的沖擊，對其制造質量要求很高。曲軸鍛造過程如何消除鋼錠的鑄造缺陷，保證鍛件的鍛透性和性能的均勻性是制定曲軸鍛造工藝的關鍵。

目前我國已經對鍛造工藝進行了大量的研究。裴悅凱等[1]利用金相顯微鏡及SEM研究了不同鍛造比對H13電爐鋼組織和力學性能的影響；曲敬龍等[2]通過物理模擬方法得到了GH4720Li合金的熱變形特征，通過數值模擬方法研究了不同鍛造工藝對GH4720Li盤鍛件溫度場、應力場等參數的影響規律；黃遠勝等[3]模擬了模鍛過程中齒輪軸承鋼坯的晶粒演變規律；李佑河等[4]通過熱模擬實驗繪制出SAE4137鋼在不同真應變下的熱加工圖，得到SAE4137鋼在成形時的加工穩定區、失穩區以及推薦加工區間；劉光輝等[5]通過數學模擬方法探討了WHF鍛造法的應力應變場以及內部孔隙的閉合過程；劉助柏[6]從理論上分析和論證了料寬比對平砧拔長矩形截面毛坯的影響；王雷剛等[7]重點闡述了拔長工藝理論的最新成果；魏澤輝[8]介紹了WHF法在軸類鍛件中的應用；盧志輝等[9]用光塑性方法模擬研究了FM、WHF等拔長工藝在不同砧寬比、不同壓下量時的應變分布。

上述研究為長軸類零件的鍛造提供了一定的理論與實踐指導，但至今未見到定寬壓力機曲軸的具體鍛造工藝。為此，本文根據曲軸的結構特點與鍛造比要求制定曲軸的制造工藝，通過Deform軟件進行鐓粗與一次拔長工序的模擬，為曲軸鍛造關鍵工藝參數的制定提供理論依據。

1 曲軸鍛造工藝

曲軸結構如圖1所示，總重為20 782 Kg，材質為30Cr2Ni2Mo合金結構鋼，鍛比要求≥4。承載部通過滾動軸承和連接臂相連，主要承載側壓力的作用，是曲軸的關鍵部位；支撐部安裝軸承座，固定曲軸并保證曲軸平穩運行；傳動部通過聯軸器與電機相連，起傳遞扭矩的作用；承載部與傳動部之間存在偏心，偏心距為86 mm，由于偏心距的存在，曲軸的鍛造工藝比普通軸類鍛件還要復雜。

圖1 曲軸結構圖

曲軸屬于大型鍛件，大型鍛件往往只能通過自由鍛的方法進行生產，由于曲軸對力學性能要求較高，要求曲軸鍛比≥4，僅僅通過拔長的方法滿足不了鍛比的要求。因此，必須先對鋼錠進行鐓粗，然后對其進行拔長，才能滿足曲軸的鍛比要求，同時由于曲軸有一定的偏心距，拔長結束后還需對曲軸兩端進行錯位，才能滿足曲軸的結構要求。根據上述要求，制定的曲軸鍛造工藝如圖2所示。

圖2 曲軸鍛造流程圖

曲軸總長為4 639 mm，為了在拔長時方便操作機操作，在鐓粗前需要有壓鉗把的工序，鐓粗時下砧需帶漏盤。采用WHF法對曲軸進行拔長，該方法對鍛合鍛件內部的孔隙，消除疏松等缺陷十分有利，同時對鍛造輔具的要求不高，特別是在大型軸類零件的鍛造中經常采用此種方法。由于鐓粗和一次拔長過程是曲軸的主要工序，決定曲軸的質量和鍛透性，因此本文主要針對這兩個工序進行模擬和分析。

2 鐓粗過程模擬

采用Deform-3D有限元軟件對曲軸鐓粗過程進行了模擬，鐓粗壓下率為47%，鍛比為1.88，坯料鐓粗時帶鉗把，下砧板帶漏盤，具體模擬參數如表1所示。將坯料和砧板的三維模型(如圖3所示)保存為.stl格式文件，導入Deform-3D軟件中，坯料的單元數為100 000個，砧板單元數量為50 000個，坯料設為塑性體，砧板設為剛體，只參與傳熱不發生變形。

表1 鐓粗模擬參數Table 1 Simulation parameters of upsetting

圖3 坯料和砧板三維模型

不同壓下率下鍛件的應力應變分布情況如圖4所示。由圖可知，隨著壓下率的不斷增加，鍛件芯部的等效應變與軸向應力均不斷增大，大的應變和壓應力正是空洞類缺陷閉合的先決條件，因此從空洞缺陷閉合的角度來說，坯料鐓粗應該選較大的壓下量。為進一步分析等效應變與軸向應力隨壓下率的變化關系，將中心點處芯部應力與應變數據提取后，如圖5所示。由圖可知，當壓下率達到47%時，坯料心部等效應變能達到0.8，軸向壓應力達到60 Mpa，能很大程度消除鑄造缺陷[10]。

圖4 應變和應力云圖

圖5 鍛件心部等效應變和軸向應力分布

3 一次拔長過程模擬

將鐓粗后結果作為一次拔長工序的初始模型，其它模擬參數如表2所示。砧板的寬度選擇850 mm和1 200 mm兩種，拔長鍛比為2.31。由于每趟拔長在壓下的同時還會產生寬展，進行下趟拔長時必須將其考慮在內。寬展量的計算公式如式(1)與式(2)所示[11-13]。

α=0.782-0.182HW

(1)

ΔB=α×ΔH

(2)

式中，α為寬展率；H為坯料高度；W為砧板寬度；ΔB為寬展量；ΔH為壓下量。

表2 拔長模擬參數

接砧量分別按照1/2砧寬和1/3砧寬進行模擬對比，錯砧量根據模擬結果進行調整，即坯料每翻轉180°進行錯砧。綜上，制定兩種方案如表3所示。方案一：砧寬為850 mm，第1、2趟首次進給量為滿砧，其他趟數按照接砧量為285 mm(1/3砧寬)和425 mm(1/2砧寬)分別進行模擬，每趟結束后，坯料翻轉90°，錯砧量按照首次進給量給定，坯料每翻轉180°，進行錯砧；方案二為：砧寬為1 200 mm，第1、2趟首次進給量為滿砧，其他趟數按照接砧量為400 mm(1/3砧寬)和600 mm(1/2砧寬)分別進行模擬，每趟結束后，坯料翻轉90°，錯砧量按照首次進給量給定，坯料每翻轉180°，進行錯砧。

兩個方案鍛件等效應變的最終模擬結果如圖6所示。為便于分析，沿軸向在坯料心部等間隔取30個點，30個點的等效應變分布如圖7所示。由圖可知，在鍛件軸向中心部位(點15與點16)方案一等效應變達到1.15左右，方案二等效應變達到1.18左右，兩種方案差別不大。在鍛件兩端部(點1與點30)，方案1等效應變達到2.0左右，特別是當接砧量較小時(285 mm)，等效應變達到2.1左右，均勻性較差；當方案2的接砧量較小時(400 mm)，在鍛件兩端部(點1與點30)的等效應變存在較大差別，分別為1.2和1.8左右，但整體均勻性仍好于方案1；當方案2的接砧量較大時(600 mm)，在鍛件兩端部(點1與點30)的等效應變差別很小，均在1.5左右。為進一步分析兩種方案(四種不同工況)的等效應變均勻性，將30個測量點的等效應變進行數據統計，結果如表4所示。從表中可以看出，方案二兩種工況的應變均勻性均比方案一的兩種工況好，而方案二兩種工況中，接砧量大的工況又好于接砧量小的工況。

表3 工藝參數

圖6 鍛件等效應變云圖

方案平均值均方差方案一(接砧量285mm)1.438360.281142方案一(接砧量425mm)1.394910.243355方案二(接砧量400mm)1.316860.224199方案二(接砧量600mm)1.236480.157454

4 結論

(1) 采用鐓粗+拔長+錯位的工序，能夠滿足曲軸的鍛比和結構要求。

(2) 通過對鐓粗過程的模擬，可知當壓下率選為47%時，坯料心部等效應變能達到0.78，軸向壓應力達到60 MPa，能很大程度消除鑄造缺陷，有利于空洞類缺陷的焊合。

圖7 鍛件芯部等效應變分布圖

(3) 在設備允許情況下，進行曲軸一次拔長時，應選擇較大的砧寬、較大的接砧量以改善等效應變分布的均勻性。

[1] 裴悅凱，馬黨參，劉寶石，等. 鍛造比對H13鋼組織和力學性能的影響[J]. 鋼鐵，2012，47(02)：81-86.

[2] 曲敬龍，杜金輝，畢中南，等. 等溫鍛造工藝對GH4720Li合金盤鍛件組織的影響[J]. 鋼鐵研究學報，2012，24(02)：49-53.

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Research on forging technology of crankshaft for slab sizing press

XIONG Jie

(Equipment Department，Baoshan Iron & Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

As the important parts of large equipment, the quality of large forgings has a major influence on the security and normal operation of large equipment. This paper takes the crankshaft of slab sizing press as the research object, making the forging process for crankshaft. The finite element model was established using the numerical simulation software Deform-3D, and the stress and strain filed during the upsetting and stretching courses were analyzed. The forging process can meet the requirement of forging ratio. When the upsetting reduction is 47%, the casting defects can be eliminated to a great extent. During the stretching course, more uniform effective strain distribution can be obtained with bigger width and connection length of anvil.

slab sizing press;crankshaft;forging technology;upsetting;stretching

2016-12-26；

2017-01-25

熊杰(1970-)，男，高級工程師，主要從事板帶軋制裝備研究與生產工作。

TG316

A

1001-196X(2017)04-0047-05