液压打桩锤Φ6.5_m砧铁锻件近净成形技术分析与应用_孙统辉.pdf
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1、第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023锻造液压打桩锤 6.5 m 砧铁锻件近净成形技术分析与应用孙统辉1,2,师洪强1,2,张鹏豪1,2,张彦娟1,2(1.洛阳中重铸锻有限责任公司,河南 洛阳 471039;2.中信重工机械股份有限公司,河南 洛阳 471039)摘要:6.5 m 砧铁属于特大型异形锻件,在液压打桩锤工作过程中需承受强烈振动和交变载荷,针对其采用传统自由锻工艺制造时存在的原材料损耗严重、三向性能差异大等问题,提出了 6.5 m 砧铁锻件近净成形技术,总体工艺方案为自由锻制坯+胎膜
2、锻成形。采用 Forge 锻造有限元仿真软件,对 6.5 m 砧铁锻件的充型过程进行仿真,通过对载荷-行程曲线、充型效果、等效应变的点追踪、金属流动情况、应力状态、等效应变和动态再结晶的分析,优化了成形关键工艺参数及方法,经生产验证,与传统自由锻工艺相比,锻件减重 63770 kg,单件节约钢锭 126000 kg,解决了充型锻造压力超出设备极限载荷、锻件纤维组织流线不连续等问题,实现了 6.5 m 砧铁锻件的近净成形。关键词:液压打桩锤;砧铁;自由锻;胎模锻;近净成形DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.001中图分类号:TG316 文献标志码:A 文章
3、编号:1000-3940(2023)06-0001-09Analysis and application on near net shape technology for 6.5 m anvil iron forgings of hydraulic piling hammer Sun Tonghui1,2,Shi Hongqiang1,2,Zhang Penghao1,2,Zhang Yanjuan1,2(1.Luoyang CITIC Heavy Industries Casting and Forging,Luoyang 471039,China;2.CITIC Heavy Industr
4、ies Co.,Ltd.,Luoyang 471039,China)Abstract:The 6.5 m anvil iron is super-large special-shaped forgings,which is subjected to strong vibration and alternating loads dur-ing the working process of hydraulic piling hammer.Therefore,for the problems of serious loss of raw material and large difference i
5、n three-dimensional properties in the traditional free forging process,a near net forming technology for 6.5 m anvil iron forgings was pro-posed,and the overall process scheme was to use free forging to blank and use loose tooling forging to form.The filling process of 6.5 anvil iron forgings was si
6、mulated by finite element simulation software Forge.Then,through the analysis on load-stroke curve,filling effect,point tracking of effective strain,metal flow,stress state,equivalent strain and dynamic recrystallization,the key forming process parameters and methods were optimized.Firally,the produ
7、ction verification shows that,compared with the traditional free forging process,the weight of forgings is reduced by 63770 kg,and the steel ingot is saved by 126000 kg per piece,which solves the problems that the filling forging pressure exceeds the limit load of equipment and the fiber structure o
8、f forgings is not continuous,and the near net forming of 6.5 m anvil iron forgings is realized.Key words:hydraulic piling hammer;anvil iron;free forging;lose tooling forging;near net forming收稿日期:2022-08-26;修订日期:2022-11-10基金项目:工信部高技术船舶科研项目(MC-202014-S01);国家重点研发计划(2020YFB2008400)作者简介:孙统辉(1982-),男,硕士,高
9、级工程师E-mail:sunth2009 随着海上风电的迅速发展,对沉桩作业技术及装备提出了更高的要求,主流单桩基础直径为 6.57.5 m,特殊地质状况下,打桩作业需使用 3000 kJ以上的大型液压打桩锤。砧铁作为液压打桩锤的关键零部件,一直被国外垄断,进口设备价格昂贵、供货时间长、维修周期长、维修费用高和技术支持较难保障,这在很大程度上制约了国内海洋工程事业的发展,直接影响了海洋风电资源的开发1。目前,对于 6.5 m 以上特大型砧铁锻件的生产,国外只有 JSW(日本制钢所)公司一家有成功生产案例,该公司在 140 MN 水压机上采用复合锻造技术实现了特大型砧铁锻件成形,但详细锻造工艺技
10、术对外保密,相关报道及文献鲜见。在国内,几大重机厂对3 m 以下小型砧铁有过成功制造案例,均采用自由锻成形技术,而对于 6.5 m 以上砧铁锻件的制造领域,只有中信重工机械股份有限公司涉足。本文所述 6.5 m 砧铁应用于 3000 kJ 液压打桩锤,为国产化最大规格砧铁,依托 185 MN 自由锻造油压机平台进行复合锻造工艺技术研发,并运用Forge 数值模拟软件进行成形过程计算分析,开发出整锻式特大型砧铁锻造件净成形技术,成功锻造出6.5 m 整锻式砧铁。1 工艺方案分析液压打桩锤水下打桩的冲击系统由锤芯、砧铁和桩 3 个部分组成。在打桩过程中,将锤芯提升至一定高度后,通过活塞杆来推动锤芯
11、,锤芯在推力和其自身重力的作用下,撞击砧铁,将自身的动能转化为打桩的冲击能量。砧铁为能量转化部件,将锤芯的动能转化为冲击能量,进而传递给桩。砧铁的能量传递效率即为打桩锤冲击系统的能量传递效率,因此,砧铁为整个液压打桩锤水下打桩冲击系统中的关键零件2,6.5 m 砧铁的零件图如图 1所示。鉴于此原因,砧铁锻件须具备较高的冲击韧性,因此,锻造工艺须考虑锻造流线的完整性。图 1 6.5 m 砧铁零件图Fig.1 Part drawing of 6.5 m anvil iron1.1 自由锻工艺自由锻工艺中,锥面部分按多台阶锻出,机加工去除材料较多,而且锥面部分纤维流线被切断,但此处也为砧铁承受冲击过
12、程中最关键的部位,因此,会影响砧铁的抗冲击性能。如图 2 所示,采用自由锻工艺成形的锻件质量为 309380 kg,而钢锭质量为 486000 kg,钢锭利用率为 63.6%。图 2 6.5 m 砧铁自由锻锻件示意图Fig.2 Schematic diagram of 6.5 m anvil iron forging by free forging成形台阶部位易出现内部质量问题,主要表现为超声波检测超标,通常为密集型缺陷,分布状态为平行于台阶成形面呈层状分布,这与锻造成形台阶过程中所运用的工艺方法关系密切3。在锻造过程中,随着 H/D(其中,H 为台阶部位高度,D 为台阶直径)的不断降低,在静
13、水压力区域内会出现较大的剪切变形,随着剪切变形的进一步加剧,可导致剪切变形剧烈部位出现锻造缺陷,即内部出现平行于台阶平面的微裂纹或夹杂性缺陷,因此,锻造工艺应主动控制夹杂物形貌,以保证最终砧铁锻件的内部质量4。该方案存在不足之处:(1)毛净比达到 1.74,锥面部分存在多处工艺余块,原材料损耗较大;(2)成形锥面部分多台阶不规整,易偏心,锻造余量大;(3)锥面部分锻造流线被切断,高应力区域的三向性能差异大,影响砧铁的最终服役寿命;(4)486000 kg 特大型钢锭锻造过程中的火次多、能耗高。1.2 近净成形工艺近净成形工艺设计需重点考虑以下两个方面:(1)锻件锥面部分按成品锥度锻造成形,减少
14、了加工余量,缩短制造周期;(2)砧铁锥面高应力区域的锻造流线连续,提高了锻件的综合力学性能。总体工艺方案为自由锻制坯+胎模锻成形,如图 3 所示,采用自由锻工艺的锻件质量为 245610 kg,钢锭质量为 360000 kg,钢锭利用率为 68.2%。图 3 6.5 m 砧铁近净成形锻件示意图Fig.3 Schematic diagram of 6.5 m anvil iron forging by near net forming胎模在 185 MN 自由锻造油压机上锻造,使用放置于走料台上的单膛模具,将高温(12101250)坯料用自由锻工艺锻造成形为近似零件的形状及尺寸。本工艺结合自由锻
15、主变形中的镦粗工序进行胎模锻造,在充分破碎铸态枝状晶组织的同时实现了锥面的近净成形,该工序制坯高径比 H0/D0=1.61.8(其中,H0为坯料原始高度、D0为坯料原始直径),镦粗比为 1.801.95。该锻造方案可以克服传统自由锻工艺存在的不足之处,但也存在诸多难点:(1)胎模锻过程能否完全充型;(2)现有自由锻设备压力能否满足工艺2锻压技术 第 48 卷需要;(3)锻件中心部位能否充分锻透;(4)最后成形火次的动态再结晶是否充分;(5)充型过程中小变形区域是否会出现晶粒粗大。本文针对上述关键技术难题,借助数值模拟技术,对 6.5 m 砧铁锻件的近净成形过程进行仿真研究,从而为充型过程中工艺
16、参数的确定提供理论依据。2 充型过程数值模拟砧铁锻件属于特大型锻件,胎模成形时的金属流动情况复杂,压下量与充型情况不易被评估。借助数值模拟方法,进行 6.5 m 砧铁锻件的塑性成形过程的仿真,为压下量的确定、模具结构设计和缺陷预测提供理论依据5。在金属体积成形过程中,金属的塑性变形远远大于弹性变形,因此,在充型过程中选用刚塑性数值模拟技术6-7。本文主要对充型过程中的压力、金属流动速率、应力、等效应变、动态再结晶进行模拟分析8-9,以评估近净成形工艺方案的合理性。2.1 数值模拟参数设定充型工序属于典型的三维非稳态塑性成形过程,不能简化为平面模型进行计算,选用 Forge 数值模拟软件对该工序
17、进行 3D 仿真,选取特大型自由锻制坯参数建立数值模型进行计算分析10-11。坯料划分网格数为 15.5 万,坯料与上、下模接触面为剪切摩擦,摩擦因数均为 0.7,坯料温度为 1240。假设模具在锻造过程中不变形,上、下模均设置为刚性体,上模为主动模具,压下速率为 8 mms-1。针对充型过程设计了以下两种工艺方案。方案 1:(1)预制圆柱坯,尺寸为 2640 mm5050 mm;(2)将坯料放入最终成形胎模中,采用 900 mm平整径向排砧分4 道次将坯料镦粗至2610 mm,14道次的锻造参数如表 1 所示;表 1 方案 1 中多道次锻造参数Table 1 Multi-pass forgi
18、ng parameters in scheme 1道次123456789压后高度/mm 4250 3610 3070 2610 2220 1890 1610 1370 1200 进砧量/mm2130 1810 1540 1310 1110 950 810 690 600 布砧方法径向 径向 径向 径向 切向 切向 切向 切向 切向 注:径向,平砧沿平行于坯料直径方向排砧,坯料沿垂直于平砧方向移动,平行移动距离为进砧量;切向,平砧沿坯料圆周切线方向排砧,每压 1 砧坯料旋转一定角度,1 圈压完后,坯料沿垂直于砧具方向移动,平行移动距离为进砧量,逐圈进砧直到压至坯料中心,1 个道次结束。(3)采用
19、 900 mm 平整切向排砧分 5 道次将坯料镦粗至 1600 mm,实现胎模内锻件的最终成形,59 道次的锻造参数如表 1 所示。该方案按照传统胎模锻工艺设计思路,整个成形过程只需 1 套模具,成形过程示意图如图 4 所示。其中,为锻件成品锥面角,为终成形模具锥面角,=21.5。图 4 方案 1 成形示意图1.圆柱坯 2.上平砧 3.终成形模具Fig.4 Forming schematic diagram of scheme 1 方案 2:(1)预 制 圆 柱 坯,尺 寸 为 2640 mm 5050 mm;(2)将坯料放入预成形胎模中,采用 900 mm平整径向排砧分 4 道次将坯料镦粗至
20、 2610 mm,预制下底面锥度为 35的中间坯,14 道次的锻造参数如表 1 所示;(3)将下模更换为终成形胎模,预制中间坯对正模具中心放置;(4)采用 900 mm 平整切向排砧分 5 道次将坯3第 6 期孙统辉等:液压打桩锤 6.5 m 砧铁锻件近净成形技术分析与应用 料镦粗至 1600 mm,实现胎模内锻件的最终成形,59 道次的锻造参数如表 1 所示。该方案对充型工艺进行了创新,旨在解决充型困难、所需载荷过大等问题,整个成形过程需两套模具,首先预制底部带有大角度锥面的中间坯,坯料底部锥面角度大于终成形模具的锥面角度,放入终成形模具后坯料与模具接触面积减少,从而实现降低载荷、利于终锻充
21、型的目的。成形示意图如图5 所示,其中,锻件成品锥面角 为 21.5、预成形模具锥面角 为 35、终成形模具锥面角 为21.5,即、=,因此,预制中间坯工序的预成形锥面角度较大。图 5 方案 2 成形示意图1.圆柱坯 2.上平砧 3.预成形模具 4.终成形模具Fig.5 Forming schematic diagram of scheme 22.2 模拟结果与分析2.2.1 充型过程工艺参数设定坯料放置于模具锥面上,起始位置为坯料外圆与锥面整圈线接触处,盖板作为上模,坯料原始高度为 5050 mm,压下量为 2050 mm,设定上、下模间距 450 mm 为停止条件,在该过程中金属向模腔流动
22、,同时直径增大。方案 1 建模如图 6 所示,方案 2 建模如图 7 所示。2.2.2 载荷-行程曲线分析方案 1:由于该方案中,模具与坯料的接触面积较小,容易出现受力不均现象,导致金属流动不图 6 方案 1 建模图Fig.6 Modeling diagram of scheme 1图 7 方案 2 建模图Fig.7 Modeling diagram of scheme 2表 2 不同镦粗高度对应的镦粗力Table 2 Upsetting forces corresponding to different upsetting heights镦粗高度 L/mm300028002600240022
23、0020001800160014001200镦粗力/MN方案 10177.87205.06219.70240.16263.60287.31321.56412.64491.28方案 20100.35135.20143.75149.90151.21164.56168.81173.65182.764锻压技术 第 48 卷均匀。模拟过程中发现,坯料金属主要沿周向流动,表面呈椭圆形,这在实际生产中很难进行矫正,尺寸不易控制。以坯料底面中心为原点,不同镦粗高度对应的镦粗力见表 2,当镦粗高度为 2600 mm 时,镦粗力已经超过 185 MN,实现终锻成形所需的最大镦粗力达到 491.28 MN,远远超出
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