船用长轴类大锻件锻造工艺方法研究

大型锻件一般是指２ｔ以上的 饼 类 锻 件 或 ５ｔ以 上的轴类 锻 件， 其 中 主 要 是 大 型 自 由 锻 件 。 ［１］ 船 舶 工业用大型锻件分为主机锻件、轴系锻件和舵系锻 件三类［２］：主机 锻 件 主 要 包 括 连 杆、 曲 轴 等； 轴 系 锻件主要有中间轴、螺旋桨、轴推力轴等；舵系锻 件主要有舵柱、舵杆等，其中轴系锻件和舵系锻件 为长轴类大锻件。船舶轴系和舵系是动力装置的重 要组成部分，其质量的好坏将直接影响船舶的推进 特性和正常航行，所以对轴系锻件的加工制造提出 了较严格的技术要求。另外，大锻件的原材料为钢 锭，由于冶金和凝固特性决定了钢锭中不可避免地 存在孔隙、夹 杂、 偏 析 等 组 织 缺 陷 ， ［３］ 为 了 获 得 优 质的锻件，锻造时必须选用合理的工艺以获得合格
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锻 压 技 术
第 ３８ 卷
趟后，ＦＭ 法低温区占据整个锻件体积的 比 例 最 大， 其它３种锻造方法时低温区分布较少。
图 ４ 锻 件 温 度 分 布 Ｆｉｇ．４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｒｇｉｎｇ
３．２ 应 力 分 析 图５所示为普通平砧锻造法时坯料截面上三向
收 稿 日 期 ：２０１２－０６－２３； 修 订 日 期 ：２０１２－１１－０５ 基金项目：广州市工业科技攻 关 计 划 项 目 （２００８Ｚ１－Ｄ２２１）； 广 东 省重大科技专项 （２００９Ａ０８０３０４００４） 作者简介：夏琴香 （１９６４－），女，博士，教授 电 子 信 箱 ：ｍｅｑｘｘｉａ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
图 １ 某 船 用 中 间 轴 锻 件 图 Ｆｉｇ．１ Ｆｏｒｇｉｎｇ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｓｈａｆｔ
锻 造 用 设 备 为４ｔ电 液 锤 ， 其 上 砧 固 定 在 液 压 动 力 头 上 ，为 不 可 拆 卸 宽 为３ ３ ０ｍｍ的 平 砧 ，下 砧 可
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剪 切 摩 擦 系 数／ｍｍ
０．３
锻 件 与 上 下 砧 间 传 热 系 数／（Ｎ· （ｓ·ｍｍ· ℃ ）－１）
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锻 件 与 环 境 间 传 热 系 数／（Ｎ· （ｓ·ｍｍ· ℃ ）－１）
０．０２
比例最大。这是因为锻造过程中，锻件下表面与下 砧换热的 速 度 远 大 于 锻 件 和 空 气 之 间 的 散 热 速 度， 所以随着下砧宽度的增加，锻件和下砧接触表面积 增加，接触传 热 区 域 增 大， 温 度 下 降 更 快。 锻 造 ４
第３８卷 第１期 Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１
ＦＯＲＧＩＮＧ ＆ ＳＴＡＭＰＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
２０１３ 年 ２ 月 Ｆｅｂ． ２０１３
船用长轴类大锻件锻造工艺方法研究
夏 琴 香１ ， 向 可１ ， 赵 学 智１ ， 李 一 振２
（１．华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 ５１０６４０；２．广州造船厂有限公司，广东 广州 ５１０３８２）
摘要：船用长轴类大锻件是船舶动力装置的重要组成部分，其质量好坏直接影响船舶的推进特性和正常航行。本文 以某船用中间轴为研究对象，对普通平砧锻造法、ＦＭ 锻造法和上下砧不等宽锻造方法下的 压 方 过 程 进 行 了 数 值 模 拟，应用数值模拟软件 Ｄｅｆｏｒｍ－３Ｄ 建立了 相 应 的 有 限 元 模 型， 对 坯 料 温 度 场、 应 力 分 布、 锻 造 力 和 锻 造 效 率 进 行 了分析。结果表明：采用平砧锻造时，锻件的锻造效率最高，所需锻造力小，且表面温度下降最慢；采用 ＦＭ 法锻 造时能获得较理想的压应力分布状态。 关键词：长轴类大锻件；锻造工艺；应力分布；锻造力；锻造效率 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３９４０．２０１３．０１．００３ 中图分类号：ＴＧ３１６．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－３９４０ （２０１３）０１－００１２－０５
的锻件形 状 和 尺 寸， 同 时 压 实 原 始 坯 料 心 部 疏 松、 改善碳化物及夹杂分布、锻合坯料内部孔隙等。
船用长轴类大锻件轴向尺寸均长达５ｍ 以上， 具有长径比大的特点，主要采用自由锻工序进行生 产 ， ［４］ 就目前大 型 锻 件 的 锻 造 而 言， 其 工 艺 设 计 还 主要是依靠设计人员的经验，使得变形工序多、时 间长和材料利用率低。同时，由于大锻件尺寸和重 量特征， 要 实 现 其 质 量 要 求， 有 着 特 殊 的 难 度 。 ［５］ 将有限元 模 拟 技 术 运 用 到 大 型 锻 件 的 生 产 过 程 中， 建立相应的数学模型并进行求解，就可以通过运算 结果对整个锻造过程进行分析，直观地得到诸如温 度、应力、应变、载荷等信息，进而预测可能存在 的缺陷，以控制成形质量 。 ［６］
３ 模拟结果及分析
３．１ 温 度 场 分 析 图４所示为采用不同下砧锻造后各种温度在锻
件整个 体 积 中 所 占 的 比 例。 由 图 可 见： 采 用 平 砧 锻 造 法 时 低 温 区 较 少 ， 温 度 在 １１００ ℃ 所 占 比 例 较 大，随着下 砧 宽 度 的 增 大， 占 锻 件 最 大 比 例 的 温 度 下 降 ； 采用 ＦＭ 法时，１０６０ ℃在整个锻件的体积
１ 研究对象
某船用中间轴轴身长达 １０ｍ，如 图 １ 所 示， 锻 件长径比 Ｌ／Ｄ＝３５．７， 锻 件 材 料 为 ３５ＣｒＭｏ合 金 结
第１期
夏琴香等：船用长轴类大锻件锻造工艺方法研究
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构钢，锻前采用蓄热式液化石油气加热炉进行加热， 取烧损率 为 １．５％ ， ［７］ 考 虑 到 锻 件 重 量 和 加 热 过 程 中的烧损，选用８ｔ普通钢锭 作 ［８］ 为锻造坯料，如图 ２所示。第１个锻造火次中，钢锭经倒棱、滚圆至 Φ６８０ｍｍ 的圆截 面 坯 料， 然 后 进 行 回 炉 加 热。 第 ２ 个锻造火次中，坯料经过压方、倒棱和滚圆工序锻 打至 Φ５４０ｍｍ 的圆截面坯料，其中压方过程是主要 的变形工序。
表 １ 锻 造 成 形 工 艺 参 数 Ｔａｂｌｅ １ Ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｆｏｒｇｉｎｇ
参数
数值
坯料的初始温度 Ｔ／℃
１２００
模 具 宽 度ｂｄ／ｍｍ
３３０
பைடு நூலகம்
模具圆角半径 Ｒｄ／ｍｍ
１０
名 义 送 进 量ｌ／ｍｍ
２６５
模 具 初 始 温 度／℃
２０
环 境 温 度／℃
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ ｌｏｎｇ－ｓｈａｆｔ ｈｅａｖｉｎｇ ｆｏｒｇｉｎｇ
ＸＩＡ Ｑｉｎ－ｘｉａｎｇ１，ＸＩＡＮＧ Ｋｅ１，ＺＨＡＯ Ｘｕｅ－ｚｈｉ １，ＬＩ Ｙｉ－ｚｈｅｎ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ；
２ 有限元模型的建立
模拟用软 件 为 Ｄｅｆｏｒｍ－３Ｄ， 所 建 立 的 采 用 不 同 下砧锻造时的有限 元 模 型 如 图 ３ 所 示， 其 中，Ｘ 为 横向、Ｙ 为纵向、Ｚ 为轴向。
图 ３ 采 用 不 同 下 砧 锻 造 时 的 初 始 有 限 元 模 型 （ａ）３３０ｍｍ （ｂ）４００ｍｍ （ｃ）５００ｍｍ （ｄ）ＦＭ Ｆｉｇ．３ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗｈｅｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｏｔｔｏｍ ｄｉｅ
应力和等效应力 的 分 布 情 况。 由 图 ５ａ、 图 ５ｃ可 见， 截面中心区域存在较小的横向拉应力和轴向拉应力， 由图５ｂ可 见， 截 面 中 心 区 域 存 在 较 大 的 径 向 压 应 力；图５ｃ中等值 线 Ｈ 所 示 的 坯 料 侧 表 面 三 角 区 域 存 在 较 大 的 轴 向 拉 应 力 ， 图 ５ｄ 中 坯 料 横 截 面 上 存 在 较大的等效应力，已超过 材 料 在高 温 下 的屈 服 极 限 ， ［９］ 说明截面 各 处 都 发 生 了 塑 性 变 形， 三 向 应 力 和等效应力关于截面水平对称线对称。所以研究截 面水平对称线上的应力分布既可反映出坯料中心点 的应力规律又可以反映出侧表面区域的轴向拉应力 的规律。 此 外， 竖 直 对 称 线 位 于 上 下 砧 的 正 下 方， 竖直对称线上的应力分布可直观的说明不同锻造工 艺下的应力大小情况，所以也需重点考虑。
２．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｓｈｉｐｙａｒｄ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０３８２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ ｐｏｗｅｒ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｎｇ－ａｘｉｓ ｈｅａｖｙ ｆｏｒｇｉｎｇｓ ｈａｓ ａ ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｎｏｒｍａｌ ｖｏｙａｇｅ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ．Ｔｈｅ ｓｑｕａｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｓｈａｆｔ ｆｏｒｇｅｄ ｂｙ ｆｌａｔ ａｎｖｉｌ，ＦＭ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｅｑｕａｌ ｆｌａｔ ａｎｖｉｌ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｆｏｒｍ－３Ｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ，ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕ－ ｔｉｏｎ，ｆｏｒｇｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｆｏｒｇｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＦＭ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｕｎ－ ｅｑｕａｌ ｆｌａｔ ａｎｖｉｌ ｆｏｒｇｉｎｇ，ｗｈｅｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｂｙ ｆｌａｔ ａｎｖｉｌ，ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ，ｔｈｅ ｆｏｒｇｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｓ ｔｈｅ ｓｍａｌ－ ｌｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｃｅａｓｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｆｏｒｇｉｎｇ ｂｉｌｌｅｔ ｉｓ ｔｈｅ ｓｌｏｗｅｓｔ；ｗｈｅｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ｂｙ ＦＭ ｍｅｔｈｏｄ， ｔｈｅ ｉｄｅａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｂｉｌｌｅｔ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｎｇ－ｓｈａｆｔ ｈｅａｖｙ ｆｏｒｇｉｎｇ；ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｆｏｒｇｉｎｇ ｆｏｒｃｅ；ｆｏｒｇｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
模型中上下砧为刚性体，材料均为模具钢 Ｈ－１３， 锻造过程中不发生变形，对其进行划分网格用于模 拟温度传导； 坯 料 的 初 始 尺 寸 为 ５８５ｍｍ×６１５ｍｍ ×２０００ｍｍ，坯料圆 角 半 径 Ｒ１５０ｍｍ。 每 次 锻 打 时 均采用最大打击能量，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。 采 用 不 同 宽度的下砧 锻 造 时， 上 砧 的 绝 对 送 进 量 均 选 择 ０．８ 倍 砧 宽 ， 取 整 后 送 进 量 为２６５ｍｍ。 模 型 中 其 余 工 艺 参 数 见 表 １。
图 ２ 普 通 锻 造 用 ８ｔ钢 锭 Ｆｉｇ．２ ８ｔｉｎｇｏｔｓ ｆｏｒ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｆｏｒｇｉｎｇ
以根据生 产 需 要 拆 卸 替 换。以 第 ２ 火 中 的 压 方 过 程 为 对 象 ， 研 究 下 砧 为 ３３０ （普 通 平 砧 锻 造 法 ）， ４００ 和 ５００ ｍｍ 和 下 砧 为 宽 平 台 （ＦＭ 锻 造 法 ）４ 种情况时 的 温 度 场 分 布、 应 力 分 布、 锻 造 力、 锻 造效率和 成 形 质 量，从 而 选 择 适 合 中 间 轴 成 形 的 工艺方法，并为实际生产提供可靠的理论依据。