学文网摘 要：为提高长轴类大锻件拔长工艺的效率、降低成本、节约能耗、改善锻件成形质量，根据某船用长轴类大锻件的实际尺寸，结合企业实际锻造及加热设备情况制定了锻造工艺，并基于有限元数值模拟软件DEFORM-3D研究了锻造工艺方法，针对固定上砧宽度而选择宽度相同或宽度更大的下砧，分析了锻件表面温度场、截面应力分布以及锻造力、拔长效率的情况。结果表明，采用等宽（330mm）的上下砧时，锻造效率、温度场分布均优于其它情况，所需的锻造力也较小，有利于实现长轴类大锻件的锻造成形。
关键词：长轴类大锻件；锻造工艺；拔长效率；砧宽
1 引 言
船用中间轴在工作过程中受旋转产生离心力以及传递扭矩和自重产生的弯曲力作用，所以对其质量提出了较高的要求。锻造加工时，不仅要选用合理的工艺和参数以获得合格的锻件形状和尺寸，还要结合长轴类大锻件的加工特点，选择合适的锻造工艺方法，尽量提高拔长工艺的效率。
前人已经利用物理模拟或数值模拟的方法对长轴类大锻件锻造工艺路线和参数进行了大量的研究，日本学者中岛等人用塑料泥对平砧拔长、FM法进行了对比研究[1]，研究了两种拔长方法下变形体内的应力应变特性，以及锻造方法、应力应变条件对孔洞压合的影响。清华大学曹起骧等用密栅云纹对FM法[2]、平砧锻造法[3]的应力应变分布进行了对比研究。为了控制坯料截面上横向拉应力的出现，燕山大学刘助柏教授提出了同时控制料宽比及砧宽比的LZ锻造法[4]，Dudra and Im[5]、Park and Yang[6]模拟分析了平砧、FM法（宽平台下砧）的拔长过程。然而，这些研究基本上是针对一次压下或者一趟锻打工艺过程得出的。而长轴类大锻件的实际锻造是一个多工序、多次进给和翻转的多工步连续锻造工程，不同工步之间相互影响，如果后续工艺选择不当，有可能使前一工序成形的锻件发生开裂。因此，如何按实际锻造过程进行模拟分析，成为锻造加工的热门研究问题。
本文结合现有设备情况，针对固定宽度的上砧，模拟采用不同下砧宽度时锻件的表面温度分布、锻造力、拔长效率及应力分布，确定合理的锻造工艺方法。
2 钢锭的选择
某船用中间轴锻件***如***1所示（虚线为最终零件轮廓），材料为35CrMo合金结构钢，锻件重量约为5.736吨。由于所用锻造设备为4T SDY3.4自由锻电液锤，考虑到产品的重量和变形量，需采用4火次锻造该产品。按每火的烧损率取2%计算，坯料工艺重量约为6.2吨。
考虑到工艺重量和锻造比的因素，选用8吨普通锻造用八角钢锭，长1 725 mm，如***2所示。钢锭在入炉前需锯去冒口和底部，以保证成品锻件中不会有缩孔或偏析等有害缺陷。钢锭可用的锭身部分的实际重量约为6.6 t，符合工艺重量的要求。
按上述钢锭大端直径820、小端直径778取平均直径为799，计算锻件的锻造比[1]：中间轴法兰段的总锻造比K1=7 992/5 402=2.19，轴身段的总锻造比K2=7992/2 802=8.14，符合中间轴法兰段总锻造比>1.5、轴身总锻造比>3.0的指标要求[9]。
3 中间轴锻造工艺卡片的指定
合理的锻造温度范围应能保证金属在该温度范围内具有较高的塑性和较小的变形抗力，并能使锻制出的锻件获得所希望的组织和性能。在此前提下，锻造温度范围应尽可能取得宽一些，以便减少锻造火次，降低消耗，提高生产效率并方便操作等。按35CrMo合金结构钢选取始锻温度为1150℃，终锻温度为800℃。对于温度头，文献[7]推荐选取20～50℃，由于采用钢锭开坯锻造，过热倾向较小，因此选择温度头为50℃。
根据所要成形的锻件形状和火次分配，制定中间轴锻造的工艺卡片，如表1所示。
4 锻造工艺的有限元模拟
由于拔长工艺在整个锻造过程中占有较大的比例，对锻件质量影响也较大，因此本文选择拔长工艺进行研究。根据实际使用设备情况，其上砧固定在动力头上，为不可拆卸宽W=330 mm的平砧，下砧可以根据生产需要拆卸替换。本文研究下砧为330 mm（普通平砧锻造法）、400 mm、500 mm和下砧为宽平台（FM锻造法）4种情况下的锻造效率、温度场分布、锻造力和应力分布情况，从而选择适合中间轴成形的工艺方法。
4.1 有限元模型
受设备吨位影响，当坯料截面尺寸较大时，压方和拔长工序的变形较困难，研究较大尺寸截面时坯料的变形比较有意义。因此本文以第二火中的拔长过程为例，采用DEFORM-3D有限元软件进行研究。以拔长过程中某一中间尺寸585 mm×615 mm× 2 000 mm为初始毛坯。参考文献[8]获得该材料在不同温度、应变和应变率下的连续变形的流变应力模型，导入到DEFORM-3D的预处理模块中。考虑到本文研究对象的变形量大，通过控制网格的最大边长和最大最小网格边长的比例来控制网格总数的生成，当变形量超过设定值时自动进行网格重划，生成新的高质量网格，并对主要变形区域进行网格细化，建立有限元模型如***3所示。模具初始温度和环境温度均为20℃，剪切摩擦系数为0.3，工件与砧铁及环境间的传热系数分别为11和0.02 N/s mm℃。按***4所示的流程***实现连续锻造过程的模拟。
每次锻打时均采用现有设备的最大打击能量，为获得较明显的变形规律，每个位置锻打5锤。为了减小料宽比的差异对伸长量的影响，锻件采用90°-90°的翻转方式，不同下砧宽度锻造时，按上砧计算的绝对送进量均选择0.8W，取整后送进量定为265 mm。
4.2 结果及分析
（1）表面温度场分析
***5所示为采用不同工艺方法锻造后锻件表面温度场分布情况。可见随着下砧宽度的增大，坯料表面的低温区增大；FM法表面出现大片的低温区。这是因为锻造过程中，锻件的下表面与下砧接触，接触面积越大，散热速度越快。
（2）应力分析
在坯料截面的水平中心线上均匀选取20个点，***6所示为这些点在水平面沿锻件横向（X向）和轴向（Z向）的应力分布情况。
由***6（a）可知，在截面水平中心线上，两端点（表面点：1点、20点）横向应力为0，向中心点（10点、11点）逐渐变化：下砧宽越大，中心点横向压应力越大，下砧宽越小，中心点横向拉应力越大。由***6（b）可知，下砧宽越大，各点的轴向应力值越小。两端点的轴向拉应力最大，向中心点逐渐减小。采用FM法时，心部获得横向压应力和轴向压应力，坯料心部出现三向压应力状态，对锻合坯料心部的缺陷非常有利。
（3）锻造力分析
***7所示为沿锻件轴向送进锻打时，各工位所产生的锻打力，其中1～7工位为第一趟锻打，8～14工位为将锻件翻转90°时的第二趟锻打。由***7可见，采用上下等宽的平砧锻造时载荷最小，随着下砧宽度的增大，锻造力随之增大。同一趟锻打过程中，因为锻件端部金属流动约束力较小，锻打端部时的锻造力也相对较小。第二趟锻打时，由于温度降低而使得锻造力有所增加。上下砧等宽与FM法相比，其锻造负荷小1/4～1/3。
（4）锻造效率分析
锻件伸长量与变形前坯料长度之比定义为伸长率。锻件翻转3次完成锻造后的伸长率如***8所示。由***可知，下砧宽为330 mm时，锻件伸长率最大，为13.3%，其次是砧宽为400 mm、500 mm的情况，FM方法的伸长率最小，仅为7.9%。即上下砧等宽时，拔长效率最高，FM法效率最低。'
综上所述，虽然FM法锻造时有利于获得三向压缩的应力状态，但从锻件表面温度场、锻造力和锻造效率来看，仍然应选择上下砧等宽的锻造工艺方法。
5 结 论
（1）结合企业实际锻造及加热设备情况，制定了某35CrMo钢船用中间轴长轴类大锻件四火次锻造成形的锻造工艺。
（2）通过多工步连续指令流程，实现了连续锻造过程的DEFORM-3D有限元数值模拟。
（3）通过中间轴拔长工艺的分析，确定选用上下砧等宽的锻造工艺方法，有利于提高锻造效率，降低锻造力，改善表面温度分布。
参考文献
[1] 中岛浩卫， 渡边和夫等. 大型热间自由锻造时の内部变形の特性[J]. 塑性と加工， 1981， 22（246）： 697-730
[2] 曹起骧， 叶绍英， 王顺龙等. FM法锻造时变形规律的云纹法模拟研究[J]. 大型铸锻件， 1987， （2）： 14-23
[3] 谢冰， 曹起骧等. 宽砧强压锻造效果的常温模拟实验研究[J]. 大型铸锻件， 1987， （2）： 24-30
[4] 刘助柏， 朱继武. 新拔长理论工艺参数的量值匹配与确定[J]. 机械工程学报， 1994， 30（5）： 83-86
[5] Dudra S. P. Im Y. T. Analysis of void closure in open-die forging [J]. Int. J. Mach. Tools Manufacture.1990，30（1）： 65-75
[6] Park C Y， Yang D Y.Modeling of void crushing for large-ingot hot forging[J].Journal of Materials Processing Technology， 1999， 67（1-3）： 195-230
[7] 姚泽坤. 锻造工艺学与模具设计[M]， 西安： 西北工业大学出版社， 2009
[8] 张斌， 张鸿冰. 35CrMo结构钢的热变形行为[J]. 金属学报， 2004， 40（10）： 1109-1114
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