船用大型連桿蓋國產(chǎn)化模鍛工藝開發(fā)

文／李天國·南車資陽機車有限公司鍛造分公司

匡利華·南車資陽機車有限公司曲軸事業(yè)部

船用大型連桿蓋國產(chǎn)化模鍛工藝開發(fā)

文／李天國·南車資陽機車有限公司鍛造分公司

匡利華·南車資陽機車有限公司曲軸事業(yè)部

大型連桿蓋是非常重要的船用零部件，體積較大，形狀復(fù)雜，有非加工面，鍛造難度大，厚度尺寸不容易合格。根據(jù)產(chǎn)品的尺寸和外形特點利用一臺設(shè)備安裝平板模鐓粗、拍扁出坯，另外一臺設(shè)備安裝整體模進行終鍛、切邊、沖孔、復(fù)錘等，做到了產(chǎn)品的一次試模成功和樣件的快速交出，實現(xiàn)了該鍛件的國產(chǎn)化生產(chǎn)。

為了國家海防安全，柴油動力的巨型艦船是必不可少的裝備，柴油發(fā)動機連桿更是其核心件，其技術(shù)要求非常高，我公司承接了國內(nèi)某廠委托生產(chǎn)的合計重量達230kg的柴油機核心件之一——連桿及蓋的模鍛任務(wù)，該產(chǎn)品采用桿身、蓋分體模鍛，理論計算連桿蓋模鍛打擊力需要17～18t的鍛錘，切邊剪切力在950℃時理論計算值約為1500t，而國內(nèi)最大的蒸汽動力鍛錘的打擊力為16t，打擊力明顯不夠。連桿蓋是船用產(chǎn)品動力部分的關(guān)鍵零部件，本產(chǎn)品的零件尺寸及各項性能指標必須滿足設(shè)計要求，這是保證使用的基礎(chǔ)。通過一系列技術(shù)參數(shù)的改進，我公司順利交出了樣件，各項性能指標均達到了國際標準的技術(shù)要求，實現(xiàn)了大型連桿類模鍛件的國產(chǎn)化，不再依賴進口產(chǎn)品，其意義不言而喻。

工藝流程的制定

工藝流程是保證一種產(chǎn)品能合理、合格鍛造出來的指導(dǎo)性路線，工序安排得合理，能大大降低生產(chǎn)成本，節(jié)約資源?？紤]到我公司現(xiàn)有的設(shè)備及人員情況，還有產(chǎn)品制造本身存在的難度等，特制定了如圖1所示的工藝流程，通過首批樣件的生產(chǎn)驗證，該工藝流程能有效地完成連桿蓋鍛件的制造，充分證明了本流程的合理性。

鍛造難點分析

打擊力

模鍛錘的噸位G(kg）可根據(jù)公式G＝4F計算得出，式中，F(xiàn)為包括連皮和倉部1/2計算的飛邊面積在內(nèi)的鍛件水平投影面積(cm2），本式適用于低、中碳結(jié)構(gòu)鋼和低碳合金鋼鍛件。

圖1 DK36連桿蓋鍛件工藝流程

代入設(shè)計尺寸計算得G＝4×64×67＝17152kg(式中后面兩個數(shù)值分別是寬度和長度）。由計算可以看出，這超出了16t模鍛蒸汽錘的打擊范圍，會導(dǎo)致鍛件棱角充不滿和鍛件厚度尺寸超上差。

切邊與沖連皮力

切邊與沖連皮力P(N）可根據(jù)公式P＝(1.7～2.0）σbF計算得出，式中，σb為切邊溫度下的強度極限(MPa），F(xiàn)為剪切面積(mm2）。當切邊溫度為950℃時，代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算得P＝1.7×165×π×272×62.7＝15028622.8N，我公司配備的切邊壓機的工作壓力為1250t，上述計算結(jié)果超出了設(shè)備能力。當切邊溫度為1000℃時計算的切邊力為1225t，所以切邊溫度在1000℃以上時，切邊壓機可以滿足要求。

模具設(shè)計

鍛模的設(shè)計

⑴終鍛模膛的設(shè)計。

終鍛模膛的設(shè)計依據(jù)：冷鍛件→熱鍛件→終鍛模膛。

終鍛溫度時的鍛件尺寸Lt(mm）可按式Lt＝L(1＋αt）計算，式中，L為冷態(tài)時鍛件的尺寸(mm），α為材料線膨脹系數(shù)(℃-1），t為終鍛溫度(℃）。

對于鋼鐵材料來說，模鍛的終鍛溫度一般取為1000℃，材料收縮率為1.5%。

⑵飛邊槽的設(shè)計。

飛邊槽由橋部和倉部組成，橋部較薄，金屬冷卻快，使模膛四周產(chǎn)生阻力，迫使金屬充滿模膛?？紤]到本產(chǎn)品有非加工面，表面質(zhì)量要求高，模鍛打擊力不夠，厚度尺寸容易超上差，橋部設(shè)計采取了降低高度的辦法，目的是讓本體的多余金屬能充分延展到倉部，并在鍛件最難充形的四角棱形部位增加局部高度，這樣該部位金屬冷卻快，會使該區(qū)域模膛四周產(chǎn)生阻力，從而迫使金屬充滿棱角部。此設(shè)計在鍛件生產(chǎn)后，在鍛件劃線檢查報告中充分得到了佐證，厚度方向的尺寸全部都在厚度公差范圍內(nèi)，四角棱上沿完全充滿。飛邊槽形式是本產(chǎn)品能合格的重要設(shè)計支撐，如圖2所示。

圖2 飛邊槽形式

模鍛后所得到的鍛件是四周帶有飛邊的鍛件，應(yīng)根據(jù)鍛件尺寸、形狀和切邊方式等確定飛邊槽的形式和尺寸。

飛邊槽的尺寸與鍛件的復(fù)雜程度和鍛件的大小有關(guān)。模膛四周的阻力大小取決于橋部的高度h3和橋部的寬度b。

飛邊槽尺寸按表1選取。

■ 表1 飛邊槽尺寸的選擇

⑶模膛壁厚的選擇。

鍛模模膛應(yīng)有足夠的壁厚，以保證鍛模在工作中不致?lián)p壞，同時又要避免模塊過大。由于鍛模的工作情況十分復(fù)雜，所以模膛壁厚根據(jù)經(jīng)驗確定，確定模膛壁厚應(yīng)考慮以下幾個因素：

1）模膛深度越大，側(cè)壁斜度越小，壁與底的圓角半徑越小，壁厚越大；

2）與模膛相鄰的壁面斜度越小，壁厚越大，如相鄰的是鍛模外壁(斜度為0°），則壁厚應(yīng)最大。

當α＝7°、R＝3mm時，模膛壁厚S可根據(jù)式S＝K1×h確定，式中，K1為系數(shù)，h為模膛深度(mm）。系數(shù)K1按表2選用。

⑷角鎖扣尺寸的選擇。

角鎖扣尺寸的選擇參考表3。

■ 表2 系數(shù)K1的選擇

■ 表3 角鎖扣尺寸的選擇

圖3 飛邊的實際厚度

切邊模的設(shè)計

切邊模刃口在工作過程中逐漸磨損，在經(jīng)過一定數(shù)量的切邊磨損后，刃口由鋒利逐漸變鈍。在計算飛邊剪切面積時要按飛邊的實際厚度S(圖3）計算，計算結(jié)果作為選擇切邊設(shè)備噸位的依據(jù)。

⑴切邊凸模及沖孔沖頭的設(shè)計。

凸模按鍛件配制，具體設(shè)計時應(yīng)考慮如下因素：凸模與鍛件需有一定的接觸面積，以防切邊時鍛件表面被壓傷或產(chǎn)生彎曲。當上述條件滿足時，凸模形狀可以簡化。

圖4 切邊凸模

設(shè)計的切邊凸模如圖4所示，沖孔沖頭如圖5所示。

⑵切邊凹模的設(shè)計。

凹模刃口的輪廓線按鍛件圖在分模面上的輪廓線制造。熱切邊時應(yīng)考慮冷縮率(1.2%～1.5%），對于易冷卻的細長件或鍛件桿部取小值，反之取大值。

設(shè)計的切邊凹模如圖6所示。

數(shù)值模擬前的準備工作

對鍛造連桿蓋產(chǎn)品模鍛過程進行模擬和分析。本次模擬利用Pro/E軟件對鍛造連桿蓋參數(shù)化建模，用DEFORM-3D軟件平臺對建立的三維模型進行有限元模擬，對鍛造連桿蓋成形過程和受力進行分析，揭示產(chǎn)品缺陷并優(yōu)化模鍛工藝。為使模擬結(jié)果能真實反映實際的生產(chǎn)情況，設(shè)定的模擬條件與實際生產(chǎn)條件基本一致。

材料模型的建立

鍛件材料為D-SFCM780鋼，鑒于DEFORM-3D材料庫中沒有該材料，需要建立該材料模型。由于沒有該種材質(zhì)在不同溫度和不同變形速度下的變形抗力數(shù)據(jù)，基于42CrMo4合金鋼的化學(xué)成分和性能基本與D-SFCM780一致，借鑒42CrMo4合金鋼的變形抗力曲線(圖7）建立材料模型。

模擬參數(shù)的設(shè)定

圖5 沖孔沖頭

圖6 切邊凹模

在10t模鍛錘上鐓粗、拍扁出坯，然后再運送到16t模鍛錘上打擊成形，對兩次鍛造模擬參數(shù)設(shè)置均相同：模具材料設(shè)定為剛體，坯料加熱溫度為1150℃，庫倫摩擦系數(shù)為0.3，模具溫度設(shè)定為300℃，上模移動速度設(shè)定為300mm·s-1，單元格數(shù)為200000個。

圖7 42CrMo4合金鋼變形抗力曲線

圖8 鐓粗終了模擬結(jié)果

圖9 拍扁終了模擬結(jié)果

圖10 鐓粗、拍扁入模示意圖

圖11 終鍛模擬結(jié)果

圖12 生產(chǎn)的鍛件

成形過程的數(shù)值模擬

鐓粗、拍扁過程的數(shù)值模擬

由于需要相對精確的毛坯才能滿足最終鍛造成形的要求，所以采取鐓粗棒料(圖8）的方法，其優(yōu)點是：⑴去除氧化皮；⑵控制坯料長度，然后拍扁棒料(圖9），該工序是為了將坯料延展到一定的寬度，控制厚度，以更好地入模(圖10）。

終鍛過程的數(shù)值模擬

經(jīng)過前面工序的準備工作，進入終鍛工序，設(shè)置過程參數(shù)，最終的模擬結(jié)果如圖11所示。

鍛件已穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品獲得客戶認可，產(chǎn)品如圖12所示，該產(chǎn)品已成為我公司進軍船用大型連桿蓋的明星產(chǎn)品。

結(jié)束語

⑴根據(jù)連桿蓋鍛件的結(jié)構(gòu)特點和客戶要求，確定了該產(chǎn)品的工藝流程，特別是兩臺模鍛錘聯(lián)合生產(chǎn)，降低了料耗和能耗、縮短了生產(chǎn)周期。自由鍛出坯需要增加1次加熱，料耗增加2%～3%（即4～5kg），實際生產(chǎn)安排自由鍛出坯需要一天或者兩天，而此流程節(jié)省了生產(chǎn)節(jié)拍中將近6h的額外成本。另外還有一點，就是不需要專線生產(chǎn)。

⑵采用數(shù)值仿真模擬的分析方法對該種工藝進行模擬和驗證，避免了鍛造缺陷和試模的成本浪費。這種表面質(zhì)量和性能要求很高的大型模鍛件，鍛造難度大，一次試模很容易失敗，經(jīng)過數(shù)值仿真模擬分析，實現(xiàn)了一次試模成功，使得生產(chǎn)安排可以減少換模和換產(chǎn)品等的中間資源浪費。對這種可以大大節(jié)省企業(yè)成本、降低制造風險難度的“試模方式”，我們要繼續(xù)推廣應(yīng)用。

⑶該工藝、工裝的特別設(shè)計，使得連桿蓋鍛件的合格率達到了98%以上，已經(jīng)穩(wěn)定應(yīng)用于生產(chǎn)，可以為其他類似產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

⑷該產(chǎn)品的成功生產(chǎn)，填補了國內(nèi)大型鍛造連桿蓋的空白。以前該產(chǎn)品一直都是依賴日本、韓國等國，我公司是國內(nèi)首家模鍛生產(chǎn)該產(chǎn)品的企業(yè)，此產(chǎn)品的成功開發(fā)，使得該產(chǎn)品不再依靠進口，完全實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

李天國，主要從事熱模鍛造工藝及工裝的設(shè)計工作，主持完成的DK36連桿蓋鍛造工藝開發(fā)項目獲得南車資陽機車有限公司科技進步三等獎，擁有實用新型專利3項。