轴类大锻件压方时锻件表面质量和内部应力状态的影响因素是什么？

      大型锻件一般用于机器设备的关键和核心部位，是制造重大装备的基础件。轴类大锻件的锻造过程一般包括压方、拔长和倒棱滚圆等多个工序。 目前很多学者对大锻件锻造工艺的研究集中在镦粗和拔长工艺的优化上，对压方工艺研究较少,公司对平砧压方工艺过程进行了有限元模拟，探讨了不同的压下量、接砧量等工 艺参数对锻件表面质量和内部应力状态的影响。

     现以4t电液锤锻造13500t船用螺旋桨轴大锻件为研究内容 ，应用有限元软件DEFORM-3D建建立相应的分析模型，对压方过程进行模拟。从锻件内部应力状态、锻透性及锻件裂纹3个方面对比分析不同的压方工艺方案及工艺参数对锻件质量的影响，从而为实际成形工艺方案制定提供理论依据.

     一般认为锻造时送进量与坯料高度的比值 (即相对送进量)在 0．4～0．8，可避免锻件内部横向裂纹产生，同时为提高拔长效率，可适当降低比值。轴类大锻件锻造时，为提高拔长效率，送进量一般取 0．85倍砧宽 。由于本锻件初始直径为650mm，模拟中压方模型送进量取250m(相对送进量为0.38)，砧宽取300mm。(按送进量0.85倍砧宽计算)。有限元建模过程中，一般网格的边长应小于模型最小特征尺寸的 1／3, 模拟中最小特征尺寸为砧面圆角，半径为R30mm，因此对锻件划分网格时，应保证锻件的网格边长不超过10mm.如果锻件按照实际尺寸建模，则大锻件上划分网格的数量将超过40万个，数量如此大的网格将使模拟时间过长，必须对锻件尺寸进行简化。

     通过模拟试验可知，以砧宽300mm的平砧锻造，相对压下量(上砧与下砧距离的减小量与锻造前锻件截面尺寸的比值)为30％时，第1次压下后，距锻件右端面大于50mm的区域 ，等效应变均小于0.0003，第2次压下后，距锻件右端面大于800mm的区域，等效应变均小于0.003，据此可认为距离变形区端面大于800mm的未变形区对变形区之间的影响甚小，可忽略不计。因此在建立模型时，锻件长度简化为3倍的砧宽，即建立长度为900mm的锻件进行模拟分析。

     对变形体进行分割时，如果各个分块在几何外形、受力状态及环境影H向等因素方面完全一致，可以在模拟过程中采用对称技术进行处理，对称面上加对称约束运用对称处理技术不仅可以真实有效地反映模拟结果，而且可以减少单元数量，极大地缩短计算时间，提高工作效率。

    压方工艺根据砧型通常可以分为平砧压方和V型砧压方.压方模型的送进量为250mm，砧宽为300mm 模型中型砧材料均为H13，型砧与套筒均为刚性体， 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。大锻件由钢锭直接开料锻造，浇铸时不可避免地会使钢锭 内存在缩孔、疏松、偏析和柱状晶间结合较弱等缺陷，在这些缺陷边缘容易引起应力集中。 此外，钢锭在凝固冷却后有残留应力，中心部位的残留应力为拉应力，易导致缺陷进一步扩大。锻件内部处于三向压应力状态时质量最好,因此压方过程中锻件内部应力状态是评价压方工艺的重要指标。

    锻件初始直径为650mm,为了对比分析，使用平砧和V型砧将锻件压方至相同尺寸，压方后锻件截面纵向(Z向)长度均为4944mm此时平砧和v 型砧的相对压下量为24％和33.8％.从锻件内部应力分布可以看出：平砧压方圆截面坯料时。锻件内部存在分布较广的拉应力，特别是锻件侧表面存在三向拉应力分布，易在锻件内部产生纵向裂纹。90°V型砧压方时，锻件内部为三向压应力分布，避免了裂纹产生，且有利于锻合锻件内部的孔洞。因此。从锻件内部应力状态分布角度，90°V型砧压方优于平砧压方。

    锻件开裂问题可以应用临界空穴扩张比理论进行预测判定。拉应力是产生裂纹的主要原因，拉应力最大的区域是裂纹产生的危险区域。平砧拔长时，侧表面与中截面相交的点为危险点，承受的拉应力最大；90 型砧拔长时，锻件仅在轴向上有拉应力，其最大值在与型砧接触面的中点，该表面中点即为危险点。螺旋桨轴材料为35钢，临界空穴扩张比为0.42当空穴扩张比曲线超过临界值时，可以判断材料在危险点处产生了裂纹；如果继续增大相对压下量，裂纹将迅速扩张，对锻件质量产生很大影响。从锻件表面裂纹的角度分析，平砧压方时锻件表面极易产生裂纹。并且锻件在压方过程中温度会下降产生热应力。锻件表面是热应力最大的地方， 裂纹处应力集中，如果压方时温度或压下量控制不当，将产生裂纹且裂纹将迅速扩大。而 90°V型砧压方在防止裂纹产生方面有很大优势

    通过对螺旋桨轴压方过程的有限元数值模拟， 得出以下主要结论 ：(1)以内部应力状态为评价指标，90°V型砧压方时锻件内部为三向压应力状态，且应力分布均匀； 而平砧压方时，锻件内部与靠近侧表面相交呈V形的区域存在轴向和横向拉应力，在侧表面则存在三向拉应力，且应力分布极不均匀。因此90°V型砧在防止锻件内部产生拉应力方面有很大优势。(2)以锻件心部被锻透作为临界状态，平砧压方时，锻件截面尺寸为直径524mm；90°V型砧压方时，锻 件截面尺寸为直径530mm。因此，90°V型砧压方更易锻透锻件心部。(3)以防止裂纹产生为评价指标，90°V型型砧压方时．危险点在整个压方过程的空穴扩张比均远低于临界值；而平砧压方相对压下量大于30.4％时， 危险点的空穴扩展比超过临界值，因此90°V型型砧能更好地防止裂纹产生。 综上所述，选用90°V型砧进行压方，锻件质量更好。