立磨磨辊轴胎模锻工艺研究

立磨磨辊轴胎模锻工艺研究

大零件通常用于设备的中心部分。一般来说，用钢棒直接加工。通过对钢圈结构的自然变形，不仅可以得到一定的形状和尺寸，还可以改善内部的组织和性能。本文研究的由某重机公司生产的磨辊轴胎模锻件是丹麦SMIDTH公司研制开发的立式辊磨上的重要零部件。该磨辊轴的热锻件如图1所示,它属于大型轴类锻件,通常考虑用自由锻的方法成形,但由于其方头法兰部分尺寸很大,锻件截面尺寸相差较大,若采用自由锻造,则需要较大的钢锭来完成,材料利用率低,浪费严重。而如果采用小的钢锭,在现有8400t水压机设备上,运用胎模锻造对方头部分进行局部镦粗,能够可行的话无疑是一个绝好的工艺选择。胎模锻是自由锻和模锻相结合的一种加工方法,它既具有自由锻的某些特点,设备和工具简单,工艺灵活多样,又具有模锻的某些特点,金属在模膛内最终成形,可获得形状复杂、尺寸准确的锻件,生产效率较高。在目前国内的锻造行业中,胎模锻件质量一般很小,很少有厂家生产大的胎模锻件。胎模锻件一般为圆形类产品,方形胎模锻件是不常见的,这是因为由于方形尖角的存在,使得金属的流动受到限制,很难将其角部充填满,在没有准确的生产工艺的指导下,没有厂家愿意承担太大的风险去生产此类锻件。所以,成形诸如磨辊轴这样大的方头法兰类胎模锻件,在此之前还没有厂家敢于问津。而采用胎模锻方法生产磨辊轴锻件,虽然增加了专用胎模,但大大降低了材料消耗,降低了成本,在现有设备条件下顺利实现了工艺实施,并且为以后生产更大的锻件奠定了基础,无论是从技术创新还是市场拓展方面都取得了一定的突破,这无疑是最大的成功。数值模拟技术是CAE的关键技术。通过建立相应的数学模型,可以在昂贵费时的模具或附具制造之前,利用计算机对工艺的全过程进行分析,通过工艺参数对不同方案的对比总结出规律,进而实现工艺的优化。所以,在生产工艺确定之前,采用先进的数值模拟技术对生产过程进行模拟,便成了工艺设计人员首选的理想工具。本文目的是通过运用DEFORM-3D软件对磨辊轴胎模锻的生产过程进行模拟,找到最佳的工艺方案,即最佳的进砧量和排砧方法,将难以成形的磨辊轴方头法兰部分更好地成形。1技术分析1.1钢锭实际模具的设计磨辊轴锻件材料为42CrMo,重量约20t。根据锻件图暂定钢锭毛坯方头部分尺寸为长1650)mm,宽1030mm,颈部尺寸为φ1025mm且带有4°的拔模斜度,由于主要成形的是磨辊轴的方头部分,设计模具时使模具型腔尺寸与锻件一致,颈部直径尺寸比毛坯单边大20mm,以便能使毛坯顺利放入模具中,锻造所用的胎模及钢锭毛坯如图2和图3所示。1.2培养过程主要特点选用的设备为8400t水压机,锻造压下速率设置为30mm/s,整个过程摩擦系数取0.3,使用1200mm宽的平砧,模型装配如图4所示,实际生产的装配如图5所示。由于锻件质量较大,且工作时间相对较短,锻件温降较小,可以忽略不计,可以认为在整个胎模锻过程中,坯料的温度保持不变,即为1200℃。砧子和凹模的初始温度为500℃,由于热传递的作用,与坯料接触的表面温度必然升高,暂定其加工后半时段的温度为550℃。设定漏盘等其它零件的温度为300℃,由于其与锻件在成形过程中的热交换不太明显,予以忽略,认为其在整个锻造过程中保持300℃基本不变。根据所选设备及毛坯装配后需压下的高度约为300mm,所以,整个锻造过程可分为一排。由于毛坯与凹模接触处以上的高度约为750mm,在实际生产中,一般将砧宽比保持在0.5mm～0.8mm之间,则可将进砧量保持在750mm×(0.5～0.8)=(375～600)mm之间。所以,根据毛坯方头部分长度方向的尺寸为1650mm,可将整个过程分为3～5砧。为了找到最佳的工艺方案,在模拟的过程中可适时调整工艺参数。2模拟过程和技术优化2.1排冲突模型的模拟结果按照以上工艺分析,考虑到设备的生产能力及最佳砧宽比,可将方案暂定为整个胎模锻过程分一排压成,共压4砧,从方头的一·端向另一·端排砧,具体排砧顺序如图6所示,图6中1、2、3、4分别代表砧次。模拟设定的主要参数如表1所示,模拟结果如下图7～8所示。从模拟结果可以明显看出,此种排砧方法不好,成形效果非常差,不但出现两端材料分配极不均匀的现象,而且末端还出现了明显的成形缺陷。这主要是由于从一端向另一端排砧,促使金属更多的向末端流动,以至于末端停留了大量金属,而开始端却留出了大的空隙,造成始末两端分料不均。所以,此种方案行不通。2.2模拟结果分析否定了第1次模拟方案之后,暂且考虑从两端往中间排砧,即仍将整个过程分为一排压成,共压4砧,但采用从两端往中间排砧,模拟设置主要参数与第1次完全相同。模拟的结果如图9～10所示。本次模拟结果明显比第1次要好,型腔内金属分布比较均匀,没有明显的分料不均现象,末端缺陷也不复存在。这主要是先从—端压—砧,再改向另一端,这样能使金属在凹模型腔内更均匀流动,使两端金属接近于平均分配,能使金属坯料更好地成形,避免了第1次模拟中出现的一端充型不满,而另一端却溢料的现象。但是此次模拟并没有达到使坯料充填满型腔的目的,从图9可以明显看出,方头的长度方向离模壁还有很大距离,圆角处更是很难充填饱满,这显然不能达到生产工艺的要求。2.3模拟结果及分析由于进砧量越小越有利于伸长,而第2次模拟结果的主要不足在于方头长度方向充填不满。所以,可采用增加砧次减少进砧量的方法来加以改进。本次模拟采用在第2次方案基础上增加一砧的方法,即全程共分为5砧,排砧顺序仍采用从图10第2次模拟力两端向中间排砧。采用此种方法的目的在于希望能通过增加砧次、减少进砧量的方法使方头长度方向的充型效果有所改善,达到金属坯料充满整个凹模型腔的效果。模拟设置的主要参数除进砧量适当减小外,其余与前2次相同,模拟结果如图11～12所示。本次模拟的充型效果仍不理想,不但方头没有充填满,而且侧面还出现了双鼓型缺陷,与砧子接触的坯料表面情况也不太好,这就说明分5砧压的效果并不比4砧好,此时已不能再依靠减小进砧量的方法来提高方头的充型效果,必须用其他方法改进成形工艺。由以上3次模拟的结果可以看出,采用一排压的方法已不能达到成形的要求,并且在采用5砧压时,已出现了双鼓型缺陷,砧宽比已经不能满足要求,此时,进砧量已不能再小。所以,采用一排压的方案不能满足成形的要求,因此可将工艺方案作如下两方面的调整:(1)改变毛坯尺寸,增加方头长度,以更有利于长度方向的充型;(2)改变排砧方法,采用两排压,以便于更好地充型。2.4最佳工艺条件确定根据以上分析,将工艺方案作以下调整:①将方头的长度由原来的1650mm增加到1750mm,根据体积适当调整其高度;②采用2排排砧。根据金属锻造过程中的成形特点,第1排变形较为容易,第2排变形相对较难,所以,可将第1排的压下量适当调大一些。根据最佳砧宽比的要求,本次模拟采用第1排压3砧、第2排压4砧的方案,2排均采用从两端往中间排砧。模拟的主要参数如表2所示。模拟结果如下图13、14所示。从模拟结果可以看出以下特点:(1)型腔宽度方向的充型较好,而长度方向的两端没有充满;(2)与砧子接触部分的表面较为平整,并且消除了前3次模拟过程中出现的缺陷;(3)各砧的成形力均小于8000t。所以,可以认为采用2排压的方法从部分情况上改善了成形的效果,比采用1排压的方法有所改进,但是采用此种方案中大进砧量的方法还是不能满足充满型腔的要求。因此,为了能达到成形要求,就要在2排压的基础上对进砧量再有所调整。由于进砧量越小越有利于伸长,所以应尽量减小进砧量、增加砧次,以使长度方向尽量伸长,达到金属坯料充满整个凹模型腔的目的。2.5模拟结果为了尽量减小进砧量,且保证砧宽比在合理的范围内,本次模拟将各排的排砧次数均增加,暂定第1排压4砧、第2排压6砧,两排均从方头两端往中间排砧。模拟将各排的排砧次数均增加,暂定第1排压4砧、第2排压6砧,两排均从方头两端往中间排砧。模拟设定主要参数同第4次模拟基本一致,模拟结果如下图15、16所示。从模拟过程可以得出以下结果:(1)型腔的充填情况已达到了令人满意的效果,不但宽度方向保持了非常好的充型,而且长度方向的两端、方头各处的圆角也均已与模壁接触,此时不论是直边还是圆角都能达到其工艺要求;(2)与砧子接触部分的表面质量情况很好,没有锻造缺陷出现;(3)在方头长度方向的侧面上出现了凹心,但不明显,不会影响到产品机械加工；(4)从图16的成形力图中还可以看出,在压到第7、8砧的最后阶段时,成形力非常大,超出了设备的承载能力,这表明此时坯料已与凹模型腔模壁接触,型腔已基本被充填满。所以,从以上的模拟分析结果来看,此次模拟已基本达到了锻件成形的要求,是最优选方案。3拟与实际情况的对比通过与图17、18所示成形锻件的比较可以看出计算机数值模拟与实际情况基本吻合,只是在某些方