變截面橢圓門框無縫熱加工工藝的研究及應用

文/孫傳金·丹東豐能工業股份有限公司

為了使一種變截面橢圓門框達到快速成形、降低生產成本、提高生產效率和產品合格率的目的。利用鍛壓成形原理對熱加工工藝進行編制，并利用SolidWorks進行鍛造前的工藝參數計算以及有限元成形模擬，準確計算下料重量、輾環尺寸以及鍛件尺寸。通過此方法不僅提高了原材料的利用率，達到了圖紙上的技術要求，而且也實現了批量生產的目的。

隨著新能源的不斷發展，風力發電技術不斷成熟，我國風電裝機量不斷增加，因此風電塔架門框需求量不斷增加，質量要求也不斷提高。并且風電塔架主要設置在風量多、風力大的山體以及海上等處，鋼結構塔架工作環境惡劣、承受的屈服載荷、抗拉載荷以及沖擊載荷較大，容易變形，將導致安裝在門框上的門不能正常的打開關閉，影響值班人員及維修人員的通行。

目前變截面門框的制造采用的是鋼板切割后焊接成形以及模具成形。焊接成形存在的缺點為：⑴焊接區域存在熱影響區，導致焊接后的門框容易變形，廢品率高；⑵在焊接區域容易開焊，安全系數較低；⑶鋼材被切割后焊接不僅破壞了內部纖維結構，而且導致探傷及機械性能難以滿足技術要求。采用鍛造成形缺點為：⑴增加了材料成本，采用自由鍛造時余量增加；⑵使用模具增加了制造成本。而本工藝在滿足產品技術要求的同時還可以降低制造成本，提高原材料的利用率，實現批量生產。

工藝路線

圖1 變截面橢圓門框尺寸

變截面橢圓門框尺寸如圖1所示，原材料可選用S355NL連鑄圓坯，交貨狀態為正火+回火。

一種變截面橢圓門框無縫熱加工工藝路線為：SolidWorks鍛件計算→下料→加熱→輾環→擴孔（SolidWorks計算尺寸）→鍛壓成形→正火→火焰切割→回火→車端面→打磨→包裝→發貨，并利用熱軋環形件的主要設備輾環機，以提高生產效率。本文針對正火前熱加工工序進行詳細說明。

利用SolidWorks進行計算

由于SolidWorks繪圖軟件對橢圓的周長與重量（選取材料為結構鋼S355NL）測量工具使用簡單、數值準確，并且能夠進行有限元分析，能夠直觀的看出成形的趨勢以及受力情況，并能夠準確的預判鍛造時會產生的不利影響因素，減少鍛造加熱次數，降低生產成本，提高生產效率。

輾環尺寸計算

⑴測量門框外輪廓周長L。

利用SolidWorks建模，先按照圖1成品尺寸繪制草圖，再將內外輪廓進行等距實體，等距數值為Δt，即為內外輪廓的余量，最后將等距實體后的輪廓進行拉伸凸臺，拉伸高度H即門框輾環高度，其計算公式為：

式中，H1為門框成品高度；Δt為余量值。

圖2 鍛件實體圖

根據上述公式繪制成圖2所示的鍛件實體圖，利用測量工具測量門框外輪廓周長L。按圖1尺寸，選取Δt=40mm，則H=140+40=180mm，測量L=6404.11mm。門框外輪廓周長圖如圖3所示。

圖3 測量門框外輪廓周長圖

⑵計算輾環外圓直徑ID公式為：

式中，L為門框外輪廓周長；ROUND(L/π/100，0）×100為周長計算后取整。按圖2尺寸計算 ID=ROUND(6404.11/3.1415926/100，0）×100-200=1800mm。

⑶計算輾環內圓直徑OD公式為：

式中，B為鍛件壁厚的最大值，即橢圓頂點處壁厚。在圖2中B=380mm。按圖2尺寸計算OD=1800-2×380=1040mm。

⑷計算輾環鍛件重量W公式為：

式中，ID為輾環外圓直徑，OD為輾環內圓直徑。

按圖2尺寸計算W=(18002-10402）×180×6.16538/1000000=2395kg。

⑸下料重量的計算W0公式為：

式中，W’為沖孔連皮重量；當W＜2700kg，沖孔直徑OD3=φ300mm，W’=60kg；當W≥2700 kg，沖孔直徑OD3=φ400mm，W’=120kg。v0為燒損率，取v0=0.92。按圖2尺寸計算W0=(2395+60）/0.92=2668kg。

計算制坯尺寸

⑴制坯高度H3。

式中，OD為輾環內徑尺寸，OD3為沖孔直徑，H為輾環高度，λ為調整系數。

⑵制坯鍛件重量。

式中，W為輾環鍛件重量，v1為燒損率，取v0=0.98。

⑶制坯外徑尺寸ID3。

式中，W3為制坯鍛件重量。

⑷調整系數λ。

選取調整系數λ值。

式中，B為輾環壁厚，H為輾環高度。

擴孔尺寸

外徑OD2= L/π，內徑短軸長度L2短=OD2-2B，內孔長軸長度L2長通過SoildWorks草圖繪制，使擴孔重量W2=W/v1，v1為燒損率，取v1=0.98。

計算W2=2395/0.98=2444kg。

按重量W2調整尺寸260mm，使擴孔鍛件重量等于W2，如圖4所示為鍛件擴孔圖。

圖4 鍛件擴孔圖

鍛壓成形

將擴孔后的鍛件放置在液壓機的上下砧板之間，下壓高度H3至鍛件圖短軸長度L1。按圖2尺寸，H3=L1=1230mm。圖5為鍛壓成形圖。

圖5 鍛壓成形圖

利用SolidWorks進行變形過程分析

建模完成后首先添加上下砧板圖形（圖5）。然后插入SolidWorks Simulation插件，對門框變形過程進行有限元分析。而SolidWorks Simulation插件與ABAQUS相比，其模擬分析結果接近，能夠作為結果進行分析。

添加新算例

⑴添加應用材料結構鋼S355NL。

⑵添加夾具類型為固定幾何體。

⑶添加外部載荷類型力，其值大小根據液壓機參數值給定。

⑷進行網格化處理圖，如圖6所示。

運行

運行計算后查看結果，其中應力分布圖，如圖7所示；位移趨勢圖，如圖8所示。

結果分析

結果顯示鍛壓后的成形趨勢與鍛件尺寸一致。通過實際生產驗證鍛件實際變形趨勢與SolidWorks模擬的趨勢變化一致，從而驗證了SolidWorks模擬的準確性。最終鍛件圖如圖9所示。

圖6 網格化處理圖

圖7 應力分布圖

圖8 位移趨勢圖

圖9 鍛件圖

結束語

通過SolidWorks以及相關公式的計算，得到鍛造成形所需的各個參數的準確值以及鍛造的變形模擬過程，對鍛造成形和生產起到了很好的指導作用。不僅降低了生產成本，而且還滿足了技術要求，不用模具進行修形，提高了生產效率以及原材料利用率，增強了門框的變形抗力，能夠批量的提供優質的門框產品。