液压锤锤砧胎模锻成型模拟及应用.pdf

5 6 模具工业 2 0 1 5 年第4 l 卷第 1 0 期 液 压 锤 锤 砧 胎 模 锻 成 型 模 拟 及 应 用 孙统辉，李昌义，庞庆海，秦红付，金明 中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳4 7 1 0 3 9 摘要 基于海洋工程装备锻件受力复杂， 工况特殊， 各项性能及探伤要求较高， 锤砧通常采用传统的 自 由锻 机加工方法进行生产， 导致锻件金属纤维被大量破坏， 不能满足使用要求。通过运用数值模拟的 方法辅助胎模锻工艺方案进行设计 ， 成功试制生产了锤砧锻件 ， 实现该类锻件的 国产化。 关键词 海洋工程装备； 锤砧； 胎模锻； 有限元模拟 中图分类号 T G 3 1 6 ； T P 3 9 1 ． 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 2 1 6 8 2 0 1 5 l 0 0 0 5 6 0 4 F o r mi n g s i mu l a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f f o r g i n g d i e f o r h y d r a u l i c p i l i n g ma c h i n e h a mme r a n d a n v i l S UN T o n g 一 Ⅲ ，L I Ch a n g - y i ，P A NG Qi n g - h a i ，QI N Ho n g f u ，J I N Mi n g C I T I C H e a v y I n d u s t r i e s C o ． ， L t d ． ， L u o y a n g ， H e n a n 4 7 1 0 3 9 ， C h i n a Abs t r a c t I n v i e w of t he ma r i ne e ng i ne e r i n g e q ui pme nt wa s f o r c e d c o mpl i c a t e d l y a nd s pe c i a l wo r k i n g c o nd i tio n，th e f o r g i ng pe r f o r ma n c e an d th e fla w d e t e c t i o n we r e h i g he r ． The ha mm e r a nd an v i l Was p r od uc e d by t r a dit i o na l f r e e f o r g i ng a nd m a c h i n i ng p r oc e s s ，whic h l e a d e d t o t h e f o r gi n g c o u l d n ’ t me e t r e q u i r e me n t s d u e t o t h e me t a l fi b e r W as d e s t r o y e d ． N u - me ric al s i mu l a t i o n Was u s e d t o d e s i g n c a u l f o r gin g p r o c e s s and s u c c e s s f u l l y t r i a l p r o d u c e d ha mm e r an d an v i l f o r g ing s ． Ke y wo r d s ma r i n e e n g i n e e ri n g e q u i p me n t ；h a mme r a n d anv il ；c a u l f o r gin g ；fi n i t e e l e me n t s i mul a tio n 1 引 言 液压打桩机作为海上风电场建设的关键设备， 直接影响 了风 电场施工的进度及可靠性 。 8 0 0型 液压锤被广泛应用于海上风 电场单桩基础施工， 该 型号液压锤心部分通用， 锤砧可根据所打水泥桩规 格进行更换 ， 国内海上风 电场施工单位通常从供应 商采购不同规格的锤砧， 最短采购周期也要将近一 年 且费用较高 ， 严重影响风电场建设的施工进 度 ] 。以下对锤砧锻件胎模锻造工艺进行研究 ， 成 功实现 8 0 0 液压锤锤砧锻件国产化， 在海洋工程装 备锻件的制造 中取得了突破 。 2 工艺设计 锤砧外形为 圆饼形 ， 若采用 自由锻工艺生产 ， 锻造余量大， 其外形需机加工， 浪费原材料 ， 机加工 过程锻造纤维流线破坏较多 ， 使零件各 向性能不稳 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 0 2 。 作者简介 孙统辉 1 9 8 2 一 ， 男 汉族 ， 河南洛阳人， 工程师， 主要 从事特大型锻件工艺研究工作 。 定 ， 不能满足使用要求 。采用胎模锻成型锤砧 ， 尽 量减少对锤砧金属纤维流线的破坏。 2 ． 1 锤砧制造技术要求 由于锤砧 的使用状况特殊 ， 技术要求较 高， 锤 砧 的外形尺寸见图 1 ， 材质为 3 0 C r 2 N i 2 Mo ， 具体技术 指标为 化学成分符合J B ／ T 6 3 9 6 1 9 9 2 标准 ； 力学性 能 ≥8 3 0 MP a ； o r0 2 ≥6 3 5 MP a ； ≥1 2 ％； A K D v M ≥ 5 0 J ； 超 声波探伤按 J B ／ T 5 0 0 0 ． 1 5 2 0 0 7 标准 Ⅱ级验 收。 图 1 锤砧 模具工业 2 0 l 5 年第4 l 卷第 l 0 期 5 7 2 ． 2 胎模锻造工艺 2 ． 2 ． 1 胎模设计 根据锤砧技术条什 中对材料力学性 能的要求， 确定锤砧 成型方案采用胎模锻与 白由锻相结合 的 锻造 方法l 3 r 。设计专 模具 ， 为 了在模锻时金属充 及纤维方向分别取得 良好的效果 ， 选择锻件 水平 投 影最人截面为分模面 】 ， 即锤砧人端平面 。上模 选J { j 白由锻压机配套9 0 0 m m锻造平砧 ， 十字 中心旋 压法压人端面， 生产 的锻什无飞边。锻件大端 外圆 白然 形 成鼓 肚部 分采 白由锻方 法 进行 滚锻 成 。设计的胎模结构如图2 所示 。 ， ． 垒 Q 一． 图2 胎模结构 2 ． 2 ． 2锻造 工艺设 计 基 丁川户取样位置设计， 综合考虑锻什力学性 能及超声波探伤要求， 在锻件锥面部分局部加放 _J lI 艺余 ， 尽量减 少机械加 I 量 ， 具体锻什结构尺寸 如图3 所示。锻什外形尺寸较人 ， 为保证锻什质苗， 原材料选 真空碳脱氧利真空浇注成型 的大型钢 锭， 该类钢锭纯净度及气体含量较低。锻造成型过 采 1 8 5 MN液 压机及 7 5 0 0 K N m锻造 操作机 组 ， 制坯之前钢锭经过 WHF 法拔方 ， 打碎钢锭 内部 铸态组织并改善组织缺 陷， 保证锻件锻造过 充分 锻透 。 锻件制造 l 艺流稗如 卜 E T B电炉一L F 精炼一 真空碳脱氧 V C D 一 真空浇注 V D 一 热送一钢锭 加热一镦拔 卜料一 白由锻制坯一胎模锻成型一锻 斤热处理一检验一发货。 图 3 锻什 结构尺 寸 3 胎模锻成型数值模拟及工艺优化 3 ． 1 金属充型模拟 刚D e f o r m一 3 D有限元分析软什对胎模锻金属充 型过 进行模拟。 4 所示分别为上模压 卜 量 5 2 0 mm和 1 4 4 0 mm时金 属充 模拟 结果 。由 4可 见， 胎模小端凸台在上模压 卜 量为5 2 0 m m时已经充 满金属， 金属充 型过 在最初 阶段 已经完成 ， 随后 仅是锻件较 人端面的镦粗过 ， 说明了模具设计是 合理的。 a 上模爪 量为 5 2 0 mm h ． 1 模压 卜 量为 l 4 4 0 m m 图4 金属充型模拟 7 3 3 。 。一 7 3 3 。 。誓 3 ． 2 十字 中心旋压过程模拟 十字中心旋压法 见图5 是人型锻造 l 艺中较 新的成型方法 ， 从 图5 可 以看出， 该旋压方法可 以实 现坯料的展开及减薄 。且相 比 传统 的旋压方法， 十字 中心旋压法成 型效 率较高 ， 端面平整， 可 以有 效避免 人直径极 类锻什中部凸鼓现 象。但十 字旋 压法会 引起坯料变 形不均 ， 导致坯料端面椭 ， 为 此应控制第一锤的压L 卜 晕， 旋压完成后应进行滚锻 修 整 。 c - ■ ／O 7 度加 ％ 艋 c ■_ 孵 ／O 7 度加 ％ 盈 5 8 模具．2 - 业 2 0 1 5 年第4 1 卷第 l 0 期 a 始锻状 念 - h 终锻状态 图5 十字I } 1 心旋爪法模拟 D 温 度／ C 挖 0 0 黑 9 6 7 7 3 3 。 。簟 3 ． 3 断面等效应变模拟 旋乐过 结 束后坯料断面等效戍变分布云 如图6 所示。由 6可见， 坯料中间层变形 较人 ， 其等效应变可达 1 ． 8 3以上 ， 这对 于消除坯料中空洞 性 的缺 陷较 为有利 。锻什 凸台附近等效应变人都 在0 ． 3 6 7以下 ， 变形较小 ， 是成 过 中的刚性 。 该胎模锻 r 艺简单， 成 效果较 ， 是成 该类锻 什较优 的 I 艺。 4 生产实践 4 ． 1 试制过程 质餐为4 00 0 0 k g 的舣真空成型钢锭， 通过镦 粗 WH F法拔 K后 卜 料 ， 设计专刚胎模锻模 具， 在 1 8 5 MN液乐机上进行胎模锻造成型， 锻造充 过 采 十 字中心 旋乐法 ， 有效控 制金属组织 形貌转 变 ， 防 l 卜 锻什 部组织出现片状裂纹m ， 锻造现场状 况见 7 。采 4 J 9 0 0 mm锻造 平砧进行旋压， 锻什锥 而及小端凸台金属充 效果 良好， 旋压剑 高度 8 7 0 m m后脱模， 对人端外圆不规则部分进 行滚锻修整， 锻什成品 图8 。 图6 料断面等效 变分 云图 图 7 锻造现 场状况 图 8 锻什成 下转 第6 5 页 簟一 玎 m 度加 ％ 娃 量 皇 如 ㈣ 枷 一 铷 。 腑 模具工业 2 0 1 5 年第4 1 卷第l O 期 4 操作者使用不当导致断丝 为高效加工出符合图纸要求的工件 ， 对快走丝 线切割机操作者有较高的要求 操作者要正确理解 图纸中的各项技术要求， 特别是公差、 表面粗糙度 等 ， 以便合理地设计加工路线 。在工件装夹时需注 意装夹方 向， 电极丝尽量少走负 方 向以减少断丝 几率； 切削液使用一段时间后要及时过滤、 更换， 保 持 一定 的清 洁度 ， 保证 上 、 下喷 嘴不 阻塞 、 流 量合 适 。电极丝校准垂直、 工件装夹正确 。根据加工工 件情况 ， 合理选用脉冲 电源参数 ， 加工不稳定时要 及 时调整变 频进 给进度及预置进给速度等 。在切 割过程 中不 能随意切换功能键 ， 以免开关接触不 良 造成短路或引起电极丝烧丝 、 断丝 。 5 断丝后原地穿丝处理 如果在工件切割过程特别是在快要加工结束 时断丝， 可采取原地穿丝的方法挽救工件。断丝后 步进电机保持在原地并处于“ 吸合状态” 。去掉较 少一边的废丝 ， 把剩余的电极丝调整到储丝筒 的中 间位置继 续使用 电极丝过短会 影响切割 效率 。 工件的切缝中充满了切削液杂质和电蚀产物， 要先 把工件表 面擦洗干净 ， 在切缝 中滴入煤油 ， 湿润切 缝 。选 一段 相对平 直的 电极 丝， 斜剪成尖头 ， 再用 火焰对 其烧烤 使其 发硬， 用夹子夹着 电极丝上部 ， 在断点处顺着切缝慢慢地往下送， 直至穿过工件。 如果原来的旧电极丝过短实在不能使用 ， 可更换新 电极丝 。新 电极丝在断丝点往下穿时， 要看 旧丝直 径 的损耗程度 ， 如果损耗太大 ， 切缝随之也变小， 新 丝 穿不过去， 此 时可用细砂纸将要 穿过工件 的那部 分电极丝打磨光滑 ， 再进行穿丝即可。 6 结束语 针对厚大件在切割过程 中出现的问题 ， 通过分 析快走丝线切割断丝的机理， 找出断丝的原因并提 出行之有效的预防措施 ， 在实际应用 中逐一实施后 能较好地完成试制任务 ， 加工 出来的链片也完全符 合 图纸 要求。这 些方法为提 高快走 丝 电火花线切 割机 的加 工精度 、 加工质量和加工效率 、 避 免断丝 故障的发生具有一定的指导意义。 参考文献 [ 1 】 冯方． 电火花线切割机断丝原因的分析[ J 】 ． 绍兴文理学 院学报， 2 0 0 3 ， 2 3 8 7 2 7 3 ． [ 2 】 高慧． 快走丝线切割加工中断丝问题的分析及处理[ J ] ． 北京工业职业技术学院学报， 2 0 0 8 。 7 2 4 4 4 7 ． [ 3 】 高秀兰． 浅析线切割中的存在的问题及对策[ J ] ． 模具工业， 2 0 0 2 ， 1 0 3 5 6 - 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