大型鍛件一般用于機(jī)器設(shè)備的關(guān)鍵和核心部位，是制造重大裝備的基礎(chǔ)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(xué)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。我們山西永鑫生重工股份有限公司對平砧壓方工藝過程進(jìn) 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(yīng)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(yīng)用有限元軟件DEFORM-3D建建立相應(yīng)的分析模型，對壓方過程進(jìn)行模擬。從鍛件內(nèi)部應(yīng)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(rèn)為鍛造時送進(jìn)量與坯料高度的比值 (即相對送進(jìn)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(dāng)降低比值。軸類大鍛件鍛造時，為提高拔長效率，送進(jìn)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(jìn)量取250m(相對送進(jìn)量為0.38)，砧寬取300mm。(按送進(jìn)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(yīng)小于模型最小特征尺寸的 1／3, 模擬中最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(yīng)保證鍛件的網(wǎng)格邊長不超過10mm.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(jìn)行簡化。

   通過模擬試驗可知，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(yīng)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(yīng)變均小于0.003，據(jù)此可認(rèn)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(jìn)行模擬分析。

   對變形體進(jìn)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(shù)進(jìn)行處理，對稱面上加對稱約束運(yùn)用對稱處理技術(shù)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)砧型通常可以分為平砧壓方和V型砧壓方.壓方模型的送進(jìn)量為250mm，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(jìn)行劃分網(wǎng)格用于模擬溫度傳導(dǎo)。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(yīng)力集中。 此外，鋼錠在凝固冷卻后有殘留應(yīng)力，中心部位的殘留應(yīng)力為拉應(yīng)力，易導(dǎo)致缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大。鍛件內(nèi)部處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)時質(zhì)量最好,因此壓方過程中鍛件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)是評價壓方工藝的重要指標(biāo)。

   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(yīng)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(yīng)力，特別是鍛件側(cè)表面存在三向拉應(yīng)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(yīng)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(yīng)力狀態(tài)分布角度，90°V型砧壓方優(yōu)于平砧壓方。

    鍛件開裂問題可以應(yīng)用臨界空穴擴(kuò)張比理論進(jìn)行預(yù)測判定。拉應(yīng)力是產(chǎn)生裂紋的主要原因，拉應(yīng)力最大的區(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(diǎn)為危險點(diǎn)，承受的拉應(yīng)力最大；90°V型砧拔長時，鍛件僅在軸向上有拉應(yīng)力，其最大值在與型砧接觸面的中點(diǎn)，該表面中點(diǎn)即為危險點(diǎn)。螺旋槳軸材料為35鋼，臨界空穴擴(kuò)張比為0.42當(dāng)空穴擴(kuò)張比曲線超過臨界值時，可以判斷材料在危險點(diǎn)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(kuò)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(yīng)力。鍛件表面是熱應(yīng)力最大的地方， 裂紋處應(yīng)力集中，如果壓方時溫度或壓下量控制不當(dāng)，將產(chǎn)生裂紋且裂紋將迅速擴(kuò)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(yīng)力狀態(tài)為評價指標(biāo)，90°V型砧壓方時鍛件內(nèi)部為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，且應(yīng)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(yīng)力，在側(cè)表面則存在三向拉應(yīng)力，且應(yīng)力分布極不均勻。因此90°V型砧在防止鍛件內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)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(biāo)，90°V型砧壓方時．危險點(diǎn)在整個壓方過程的空穴擴(kuò)張比均遠(yuǎn)低于臨界值；而平砧壓方相對壓下量大于30.4％時， 危險點(diǎn)的空穴擴(kuò)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90°V型砧進(jìn)行壓方，鍛件質(zhì)量更好。