軸類大鍛件壓方時鍛件表面質(zhì)量和內(nèi)部應力狀態(tài)的影響因素是什
文章出處：山西中重重工集團
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發(fā)表時間：2020-11-23 16:15
大型鍛件一般用于機器設備的關鍵和核心部位，是制造重大裝備的基礎件。軸類大鍛件的鍛造過程一般包括壓方、拔長和倒棱滾圓等多個工序。 目前很多學者對大鍛件鍛造工藝的研究集中在鐓粗和拔長工藝的優(yōu)化上，對壓方工藝研究較少。我們山西鍛造廠對平砧壓方工藝過程進 行了有限元模擬，探討了不同的壓下量、接砧量等工 藝參數(shù)對鍛件表面質(zhì)量和內(nèi)部應力狀態(tài)的影響。
現(xiàn)以4t電液錘鍛造13500t船用螺旋槳軸大鍛件為研究內(nèi)容 ，應用有限元軟件DEFORM-3D建建立相應的分析模型，對壓方過程進行模擬。從鍛件內(nèi)部應力狀態(tài)、鍛透性及鍛件裂紋3個方面對比分析不同的壓方工藝方案及工藝參數(shù)對鍛件質(zhì)量的影響，從而為實際成形工藝方案制定提供理論依據(jù).
一般認為鍛造時送進量與坯料高度的比值 (即相對送進量)在 0．4～0．8，可避免鍛件內(nèi)部橫向裂紋產(chǎn)生，同時為提高拔長效率，可適當降低比值。軸類大鍛件鍛造時，為提高拔長效率，送進量一般取 0．85倍砧寬 。由于本鍛件初始直徑為650mm，模擬中壓方模型送進量取250m(相對送進量為0.38)，砧寬取300mm。(按送進量0.85倍砧寬計算)。有限元建模過程中，一般網(wǎng)格的邊長應小于模型***小特征尺寸的 1／3, 模擬中***小特征尺寸為砧面圓角，半徑為R30mm，因此對鍛件劃分網(wǎng)格時，應保證鍛件的網(wǎng)格邊長不超過10 mm.如果鍛件按照實際尺寸建模，則大鍛件上劃分網(wǎng)格的數(shù)量將超過40萬個，數(shù)量如此大的網(wǎng)格將使模擬時間過長，必須對鍛件尺寸進行簡化。
過模擬試驗可知，以砧寬300mm的平砧鍛造，相對壓下量(上砧與下砧距離的減小量與鍛造前鍛件截面尺寸的比值)為30％時，第1次壓下后，距鍛件右端面大于50mm的區(qū)域 ，等效應變均小于0.0003，第2次壓下后，距鍛件右端面大于800mm的區(qū)域，等效應變均小于O.003，據(jù)此可認為距離變形區(qū)端面大于800mm的未變形區(qū)對變形區(qū)之間的影響甚小，可忽略不計。因此在建立模型時，鍛件長度簡化為3倍的砧寬，即建立長度為900mm的鍛件進行模擬分析。對變形體進行分割時，如果各個分塊在幾何外形、受力狀態(tài)及環(huán)境影H向等因素方面完全一致，可以在模擬過程中采用對稱技術進行處理，對稱面上加對稱約束運用對稱處理技術不僅可以真實有效地反映模擬結(jié)果，而且可以減少單元數(shù)量，極大地縮短計算時間，提高工作效率。
壓方工藝根據(jù)砧型通?？梢苑譃槠秸鑹悍胶蚔型砧壓方.壓方模型的送進量為25Omm，砧寬為300mm 模型中型砧材料均為H13，型砧與套筒均為剛性體， 鍛造過程中不發(fā)生變形，對其進行劃分網(wǎng)格用于模擬溫度傳導。大鍛件由鋼錠直接開料鍛造，澆鑄時不可避免地會使鋼錠 內(nèi)存在縮孔、疏松、偏析和柱狀晶間結(jié)合較弱等缺陷，在這些缺陷邊緣容易引起應力集中。 此外，鋼錠在凝固冷卻后有殘留應力，中心部位的殘留應力為拉應力，易導致缺陷進一步擴大。鍛件內(nèi)部處于三向壓應力狀態(tài)時質(zhì)量***好,因此壓方過程中鍛件內(nèi)部應力狀態(tài)是評價壓方工藝的重要指標。
鍛件初始直徑為650mm,為了對比分析，使用平砧和V型砧將鍛件壓方至相同尺寸，壓方后鍛件截面縱向(Z向)長度均為4944mm此時平砧和v 型砧的相對壓下量為24％和33.8％.從鍛件內(nèi)部應力分布可以看出：平砧壓方圓截面坯料時。鍛件內(nèi)部存在分布較廣的拉應力，特別是鍛件側(cè)表面存在三向拉應力分布，易在鍛件內(nèi)部產(chǎn)生縱向裂紋。90°V型砧壓方時，鍛件內(nèi)部為三向壓應力分布，避免了裂紋產(chǎn)生，且有利于鍛合鍛件內(nèi)部的孔洞。因此。從鍛件內(nèi)部應力狀態(tài)分布角度，9O°V型砧壓方優(yōu)于平砧壓方。
鍛件開裂問題可以應用臨界空穴擴張比理論進行預測判定。拉應力是產(chǎn)生裂紋的主要原因，拉應力***大的區(qū)域是裂紋產(chǎn)生的危險區(qū)域。平砧拔長時，側(cè)表面與中截面相交的點為危險點，承受的拉應力***大；90 型砧拔長時，鍛件僅在軸向上有拉應力，其***大值在與型砧接觸面的中點，該表面中點即為危險點。螺旋槳軸材料為35鋼，臨界空穴擴張比為0.42當空穴擴張比曲線超過臨界值時，可以判斷材料在危險點處產(chǎn)生了裂紋；如果繼續(xù)增大相對壓下量，裂紋將迅速擴張，對鍛件質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。從鍛件表面裂紋的角度分析，平砧壓方時鍛件表面極易產(chǎn)生裂紋。并且鍛件在壓方過程中溫度會下降產(chǎn)生熱應力。鍛件表面是熱應力***大的地方， 裂紋處應力集中，如果壓方時溫度或壓下量控制不當，將產(chǎn)生裂紋且裂紋將迅速擴大。而 90°V型砧壓方在防止裂紋產(chǎn)生方面有很大優(yōu)勢。
通過對螺旋槳軸壓方過程的有限元數(shù)值模擬， 得出以下主要結(jié)論 ：(1)以內(nèi)部應力狀態(tài)為評價指標，90°V型砧壓方時鍛件內(nèi)部為三向壓應力狀態(tài)，且應力分布均勻； 而平砧壓方時，鍛件內(nèi)部與靠近側(cè)表面相交呈V形的區(qū)域存在軸向和橫向拉應力，在側(cè)表面則存在三向拉應力，且應力分布極不均勻。因此9O．v型砧在防止鍛件內(nèi)部產(chǎn)生拉應力方面有很大優(yōu)勢。(2)以鍛件心部被鍛透作為臨界狀態(tài)，平砧壓方時，鍛件截面尺寸為直徑524mm；90°V型砧壓方時，鍛 件截面尺寸為直徑530mm。因此，90°V型砧壓方更易鍛透鍛件心部。(3)以防止裂紋產(chǎn)生為評價指標，90°V型型砧壓方時．危險點在整個壓方過程的空穴擴張比均遠低于臨界值；而平砧壓方相對壓下量大于30.4％時， 危險點的空穴擴展比超過臨界值，因此90°V型型砧能更好地防止裂紋產(chǎn)生。 綜上所述，選用90ov型砧進行壓方，鍛件質(zhì)量更好。
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