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特大型船用曲轴成形的多向模锻工艺

大型船用曲轴是大型船舶发动机的核心部件，随着造船业的蓬勃发展，大型船用曲轴需求量巨大。曲轴工作时始终承受交变载荷的作用，服役环境恶劣，性能要求高。制造优良性能的曲轴一直是各国从业人员研究的重点领域。

大型曲轴尺寸及质量巨大，单件曲轴质量达数十乃至百余吨，难以整体锻造成形，一般采用半组合式结构，即由输出端轴颈、自由端轴颈、中间主轴颈和曲拐组成。而其中的曲拐由于质量大、性能要求高、成形困难是整个曲轴制造的关键难点。大型曲拐的毛坯自由锻成形有环锻法、块锻法及弯锻法等。前两种方法锻造时留有大量的余块，后续机械加工量大、成本高。在机械加工的过程中，金属纤维被切断，锻件的性能难以得到保证。因此，目前各国已经基本不采用这两种方法成形。弯锻法由于成形简单，操作方便，所得锻件金属纤维完整，是目前应用较广泛的曲拐成形方法。但弯锻法也存在诸多不足，如成形过程中容易出现折叠、缩腰、减薄等缺陷，并且曲拐销部难以按零件形状成形，导致材料利用率仍然很低。日本室兰制钢所于20世纪80年代曾采用插板模锻曲拐，该方法原理简单，锻造工序少，质量和材料利用率都得到大幅度提升。但该成形方法模具装拆操作复杂；后续脱模困难，不断增加的曲拐新品种及单件小批量的订货又导致模具成本较高。因此，该方法目前应用较少。为提高成形精度、性能质量和成本效率，研究一种成形件质量高、成本低的曲拐制造方法，是大型曲轴乃至船舶行业发展的重点课题。

多向模锻作为一种节能省材、加工精密的制造技术，已经被应用于诸多锻件的成形。它是在多向模锻液压机上，利用多分模面的组合模锻，使加热后的毛坯在压机一次行程的作用下，形成高精度的形状复杂锻件的专用工艺。本文以减少加工余量、提高材料利用率为目的，提出了一种特大型船用曲拐成形的多向模锻工艺。利用数值模拟及物理实验相结合的方法，验证分析了该工艺的可行性，对后续低成本生产曲拐有重要指导意义。

1、曲拐多向模锻工艺设计

1.1曲拐多向模锻工艺方案

结合曲拐的几何特征，利用多向模锻液压机垂直方向能提供合模力及穿孔力的特点，本曲拐多向模锻成形设计了两步工序：工序１曲拐销成形，将经过预锻的热态毛坯放入模腔内，合模后利用穿孔缸连接的压实模直接强压型腔内的热毛坯，使坯料充满型腔，一方面有利于毛坯内疏松及空洞的压实，另一方面可以成形曲拐销；工序２曲拐臂成形，更换压实模为挤压凸模，将工序１所得预锻锻件周身切皮３ｍｍ，其目的是为了使终锻坯料容易再次放入型腔，将终锻坯料回炉加热至固定温度，热态料放入型腔，利用挤压凸模反挤压成形曲拐臂。

１.２曲拐多向模锻工装设计

根据上述工艺方案，所设计的曲拐多向模锻成形工装结构如图１所示。工装主要包括：上合模套、模腔、下合模套、凹模及附件等，上合模套由上合模板通过挡板、连接销与下插件连接而成。模腔由动半模腔和静半模腔闭合而成，其中动半模腔固定在下合模套上，静半模腔固定在垫板上。上合模套与多向模锻压机横梁固定连接，压实模、挤压凸模先后与穿孔缸固定连接。该工装结构主要特点是无需单独增加脱模工序，在锻造完成后利用气缸可以直接将模具与锻件分离，并且可以通过调节脱模板及垫板的尺寸来成形不同尺寸的曲拐。节约了因尺寸不同而增加的模具成本。

工艺过程：按要求连接各部件，将工装放置在压力机工作台，定位对中，气缸拉动下合模套至固定位置，使动半模腔、静半模腔及凹模形成一个开口向上的型腔。放入热态坯料，上合模套在压机横梁的带动下，下行固定动、静半模型腔；装有压实模的穿孔缸下行压实至预定位置；穿孔缸、合模缸先后回程、移动工作台开出，气缸推动下合模套开模，取出工件待冷，工序１完成。将冷却后的预锻坯周身切皮３ｍｍ，进炉加热保温，同时将压实模更换成挤压凸模，移动工作台开入，装料、合模，进行反挤压。取料过程与工序１相同。至此，曲拐的成形完成。

１.３坯料设计

本文以70机曲拐零件图为例，在相应的区域放置余量或余块，所得锻件如图２所示，利用多向模锻成形的锻件的材料利用率可达６８％，相比弯锻成型工艺，材料利用率得到大幅度提升。利用钢锭锻造下料制成如图３所示毛坯。

2、曲拐多向模锻工艺成形有限元分析模型

船用曲拐材料为S34MnV，将测定的S34MnV应力应变关系曲线导入forge软件。为简化模拟计算，工装的辅助部件均略去，仅保留型腔、凹模、凸模。取1/2的模型进行计算。坯料选用四面体网格单元进行网格划分，单元数98664个。曲拐的多向模锻分２个工序：压实与反挤压，其有限元模型如图４所示。

3、模拟结果分析

3.1金属流动规律分析

图５(ａ)和图５(ｂ)为压实过程的金属流动情况。整个压实过程中，坯料中部金属变形量较小，与凸模接触的上端部坯料及与凹模接触的下端部坯料金属流动较快，产生较大变形，下端部坯料被挤入凹模型腔形成曲拐销，上端部坯料被压成预定弧形状。图