大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置及锻造方法
专利汇可以提供大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置及锻造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及大型船用 曲轴 曲拐 的弯曲 锻造 装置及锻造成形方法，由已经过实践验证准确性的计算机模拟技术得到，它适用于大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造过程。锻造装置具有上模、弯曲下模、上平砧、下平砧、插板，上模、插板下端均为弧形结构，弯曲下模内模腔部分为楔形结构。锻压流程分为四火，第一火，将 钢 锭镦粗拔长为扁方坯；第二火将坯料拔成带凸台的预成形毛坯形状；第三火，采用V形模将毛坯中部压出两个对称的V形槽；第四火，采用上模、下模将预成形毛坯弯曲成形，然后取出上模，插入插板精整，最后修整外形，取出插板完工。采用本发明制造的曲拐毛坯成形 质量 良好，外形对称， 流线 均匀，加工余量均匀，内外质量和机械性能均达到国际标准。，下面是大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置及锻造方法专利的具体信息内容。
1、大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置，具有上模、弯曲下模、上平砧、下平 砧，其特征在于：还包括插板，上模、插板与毛坯接触的工作端均为弧形结构， 弯曲下模内模腔部分为楔形结构。
2、按照权利要求1所述的大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置，其特征在于： 弯曲下模为侧面向外倾斜的楔形槽结构，其侧面倾斜角度α下模＝7-13°。
3、按照权利要求1所述的大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置，其特征在于： 插板两侧设有挡板。
4、按照权利要求1所述的大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置，其特征在于： 还包括用于加工预成形毛坯的V形模。
5、一种利用权利要求1所述大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置的弯曲锻造方 法，其特征在于整个锻压过程共四火：第一火，将钢锭镦粗、拔长为扁方坯；第 二火，在坯料中部指定位置号印，将坯料沿号印位置拔成带凸台的预成形毛坯形 状；第三火，采用V形模将毛坯中部压出两个对称的V形槽；第四火，将弯曲下 模与下平砧平行放置在水压机台板上，上、下平砧方向与水压机台板方向平行， 待毛坯出炉后用夹钳将毛坯放置在弯曲下模上，采用机械手操纵上模，并保证上 模、毛坯、下模对中，然后用上平砧压上模，使毛坯沿下模内腔发生弯曲，弯曲 至毛坯凸台表面与下模模腔底部重合时停止弯曲，将毛坯脱离下模，旋转上模带 动毛坯转动90°，移动台板，使上平砧、下平砧和毛坯处于水压机操作空间内， 采用上平砧、下平砧将毛坯开口压小，然后沿曲柄销端至曲臂端将毛坯逐渐向上 模压靠，使两曲臂平行，并保证长短一致；取出上模，插入插板精整，将毛坯两 曲臂向插板压靠至指定高度，最后修整外形，取出插板完工。
6、按照权利要求5所述的大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置，其特征在于： 采用计算机模拟技术预测曲拐毛坯锻造过程会产生的各种锻造缺陷；根据预测结 果，采用计算机模拟技术设计近终型的预成形毛坯，将曲拐加工零件放置到最终 成形的曲拐锻件的内部以确定不同位置的加工余量，采用反变形方法将已经去除 多余加工余量的变形锻件恢复到未变形状态，从而得到预成形毛坯；采用计算机 模拟技术设计V形模、上模、下模、插板的形状。
技术领域
本发明属于锻造领域，具体地说就是一种大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置 及锻造成形方法，这种工艺由已经过实践验证准确性的计算机模拟技术得到，它 适用于大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造过程。
背景技术
常见的大型低速柴油机曲轴(单拐重量在5吨以上，整轴重量在50吨以上) 结构是半组合式的，半组合式曲轴由自由端轴颈、输出端轴颈、中间主轴颈和曲 拐红套组成，其中的输出端轴颈、自由端轴颈、中间主轴颈毛坯形状简单，且尺 寸不大，而曲拐形状复杂，尺寸大，是生产曲轴的关键，实际上，制造半组合曲 轴毛坯的核心技术就是曲拐毛坯的锻造成形技术。
过去生产曲拐一般采用切断纤维制造，即将钢锭压成与曲拐零件外形相似的 扁方块，用切削的方法加工出曲拐开档和曲柄销轴颈，这种方法不但加工余量极 大，而且切断了曲柄销轴颈和曲臂连接处的锻造纤维，降低了曲轴承受载荷的能 力。钢锭的轴心缺陷(如疏松、偏析等)，切削后暴露于轴颈表面，引起应力集中， 影响疲劳强度。
随着根据国际船舶运输业的发展情况，对船舶的需求已向大型化、专业化方 向发展，曲轴的要求也逐渐转向大型化、高强度、长寿命等方向发展。因此采用 切断纤维法制造的曲轴已不能满足船舶的发展要求，目前国际上有弯曲锻造和模 锻两种制备全纤维曲拐锻件的方法，模锻虽然使锻件成形情况好，加工余量小， 生产效率高，但由于每种模具只能生产特定型号的曲拐锻件，并且模具的制造难 度高，每次锻压前均需对模具进行预热，更换模具操作流程复杂，因此在实际生 产中很少采用。相对来说弯曲锻造方法操作简便，产品型号范围广，对锻压设备 要求不高，因此在大生产中被广泛采用。
在现有的曲拐的弯曲锻造工艺流程中，曲拐内开档容易出现喇叭口、折叠裂 纹等缺陷，曲臂侧面容易出现减薄、缩腰等缺陷，严重时将造成曲拐锻件报废。 在弯曲曲拐之前的预成形毛坯形状以及模具的形状是决定锻后曲拐质量好坏的最 主要因素。
为了研究曲拐弯锻过程的变形机制，一些锻造工作者尝试采用和实际曲拐在 尺寸上具有一定比例的铅样模拟技术，由于铅和钢毕竟有所区别，难以反映真实 毛坯变形过程中金属的塑性流动和受力情况，铅样模拟起到的作用是有限的。
随着数值模拟技术和现代锻造理论的发展，锻造数值模拟技术尤其是三维温 度场模拟、应力应变场模拟已进入实用阶段。国际上开发出很多模拟软件(如： ABAQUS，ANSYS，MARC，DEFORM等)来模拟金属的塑性变形过程。根据模拟 结果，可以得到锻件的最终形状和尺寸，由模拟得到的金属材质的流动方向、不 同位置所受的应力和应变的变化情况等可以预测锻件缺陷的类型和产生的位置。 利用这些模拟结果进行工艺设计与优化可缩短产品试制的周期，节省原材料、降 低废品率，进而降低生产成本。
发明内容
本发明的技术方案是：
大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置，具有上模、弯曲下模、上平砧、下平砧、 插板，上模、插板下端(与毛坯接触的工作端)均为弧形结构，弯曲下模内模腔 部分为楔形结构。
所述弯曲下模为侧面向外倾斜的楔形槽结构，其侧面倾斜角度α下模＝7-13°。
所述插板两侧设有可以避免精整的翻转过程中毛坯滑落的挡板。
大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造方法，整个锻压过程共四火：第一火，将钢锭 镦粗、拔长为扁方坯，达到指定的锻比，充分消除铸态组织，提高材质的致密性； 第二火，在坯料中部指定位置号印，将坯料沿号印位置拔成带凸台的预成形毛坯 形状；第三火，采用V形模将毛坯中部压出两个对称的V形槽；第四火，将弯曲 下模与下平砧平行放置在水压机台板上，上平砧方向与水压机台板方向平行，待 毛坯出炉后用夹钳将毛坯放置在弯曲下模上，采用机械手操纵上模，并保证上模、 毛坯、下模对中，然后用上平砧缓缓压上模，使毛坯沿下模内腔发生弯曲，弯曲 至毛坯凸台表面与下模模腔底部重合时停止弯曲，将毛坯脱离下模，旋转上模带 动毛坯转动90°，移动台板，使上平砧、下平砧和毛坯处于水压机操作空间内， 采用上平砧、下平砧将毛坯开口压小，然后沿曲柄销端至曲臂端将毛坯逐渐向上 模压靠，并注意翻转，使两曲臂平行，并保证长短一致；取出上模，插入插板精 整，将毛坯两曲臂向插板压靠至指定高度，最后修整外形，取出插板完工。
本发明采用计算机模拟技术预测了曲拐毛坯锻造过程可能会产生的喇叭口、 折叠裂纹、缩腰、减薄等各种锻造缺陷，从而在制定工艺时加以避免；
本发明采用计算机模拟技术设计近终型的预成形毛坯，将曲拐加工零件放置 到最终成形的曲拐锻件的内部以确定不同位置的加工余量，采用反变形方法将已 经去除多余加工余量的变形锻件恢复到未变形状态，从而得到具有最佳形状的预 成形毛坯；
本发明采用计算机模拟技术设计了V形模、上模、下模、插板的形状。
本发明的有益效果是：
1、采用数值模拟技术模拟了曲拐的弯锻过程，预报了传统工艺锻造曲拐毛坯 的不足，预测了喇叭口、折叠裂纹、缩腰、减薄等缺陷位置，建立了一种能够准 确模拟曲拐锻件成形的计算机模型。
2、采用计算机模拟技术获得了一种新式的曲拐锻造成形工艺，该工艺可减轻 曲拐锻造过程常出现的喇叭口、折叠裂纹、缩腰、减薄等各种缺陷，并使操作过 程更为简便，减少了锻压火次，提高了锻件的成品率。
3、采用计算机模拟技术制定曲拐的锻造工艺，减少了试验次数，降低了研究 费用。可以根据模拟计算结果准确地预测锻件的最终形状及尺寸，使锻件的加工 余量较传统工艺减少15～20％。
4、本发明建立的计算机模型和优化工艺思路可为锻造类似锻件提供理论基础 和工艺指导。
5、采用本发明方法，可生产出MANB&W(曼恩比维)和WNSD(瓦锡兰) 柴油机专利公司的全部机型曲轴曲拐部件。
6、本发明为大型船用曲轴曲拐的制造提供了一种能够节约原材料、缩短生产 周期、减少加工余量的工艺技术。采用本发明制造的曲拐毛坯成形质量良好，外 形对称，流线均匀，加工余量均匀，内外质量和机械性能均达到国际标准。
附图说明
图1a-h为曲拐弯曲锻造工艺流程示意图。
图2为弯曲过程模拟图。
图3为采用上模精整过程模拟图。
图4为采用插板精整示意图。
图5a-b为成形后的毛坯与加工零件比较；图5a为俯视图，图5b为主视图。
图6为最终成形后的曲拐毛坯照片。
图7为传统工艺弯曲过程模拟图。
图8为传统工艺精整过程模拟图。
图9a-b为传统工艺成形后的毛坯与加工零件比较；图9a为俯视图，图9b为 主视图。
图10为传统工艺锻造成形的曲拐毛坯照片。
图11a-b为曲拐加工零件示意图；图11a为主视图，图11b为图11a的A-A 剖视图。
图12a-c为曲拐预成形毛坯结构示意图；图12a为主视图，图12b为俯视图， 图12c为侧视图。
图13a-c为上模结构示意图；图13a为主视图，图13b为俯视图，图13c为 侧视图。
图14a-b为弯曲下模结构示意图；图14a为主视图，图14b为侧视图。
图15a-b为插板结构示意图；图15a为主视图，图15b为俯视图。
图16a-c为V形模结构示意图；图16a为主视图，图16b为俯视图，图16c 为侧视图。
图中，1-上模；2-毛坯；3-下模；4-上平砧；5-下平砧；6-插板；7 -机械手(或套筒)；8-加工零件；9-成形后的毛坯；10-V形槽；11-上模弧 形槽；12-插板弧形槽；13-V形模；14-曲柄销。
具体实施方式
曲拐的弯曲锻造方法的工艺过程(锻压流程)是：第一火，将钢锭镦粗、拔 长为扁方坯，达到指定的锻比，目的是充分消除铸态组织，提高材质的致密性； 第二火，在坯料中部指定位置号印(即采用号印刀在指定位置切两个深度为150～ 200mm的倒三角形槽)，将坯料沿号印位置拔成带凸台的预成形毛坯形状；第三 火，采用V形模将毛坯中部压出两个对称的V形槽；第四火(参见图1)，将弯 曲下模3与下平砧5平行放置在水压机台板上，上平砧4方向与水压机台板方向 平行，待毛坯出炉后用夹钳将毛坯放置在弯曲下模3上，采用机械手7操纵上模 1，并保证上模1、毛坯2、下模3对中(参见图1a)，然后用上平砧4缓缓压上 模1，使毛坯2沿下模3内腔发生弯曲，弯曲至毛坯凸台表面与下模模腔底部重 合时(弯曲下模为侧面向外倾斜的楔形槽结构，其侧面倾斜角度α下模＝7-13°) 停止弯曲(参见图1b)，然后将毛坯2脱离下模3，旋转上模1带动毛坯2转动 90°，移动台板，使上平砧4、下平砧5和毛坯2处于水压机操作空间内(参见 图1c)，采用上平砧4、下平砧5将毛坯开口压小，(参见图1d)然后沿曲柄销14 端至曲臂端将毛坯2逐渐向上模1压靠(参见图1e)，并注意翻转，使两曲臂平 行，并保证长短一致。取出上模1，插入插板6精整(参见图1f)，将毛坯2两曲 臂向插板6压靠至指定高度(参见图1g)，最后修整外形，取出插板6完工(参 见图1h)。
本发明开发了大型船用曲轴曲拐毛坯弯曲锻造过程的工艺，其主要内容包括：
(1)采用计算机模拟技术预测常见锻造缺陷：由于曲拐毛坯体积大，变形工 艺复杂，整个锻造过程需要4～6火，单凭锻造经验无法预测到毛坯在整个锻造流 程的成形情况。而采用计算机模拟技术，不但可以观察到不同位置的金属变形情 况，得到整个锻造过程的应力场、应变场和温度场的演化，更好地了解锻件的成 形机理，而且可以预测出曲拐毛坯锻造过程可能会产生的喇叭口、折叠裂纹、缩 腰、减薄等各种锻造缺陷，从而在制定工艺时加以避免，因此，计算机模拟可为 实际工艺设计提供理论指导。通过在计算机平台上的反复试验，可以确定一种有 利于保证锻件成形质量、操作简便的锻压工艺。图7～10为采用计算机模拟得到 的传统锻压工艺产生的缺陷示意图。
(2)采用计算机模拟技术设计近终型的预成形毛坯：在计算机模拟过程中， 首先将曲拐加工零件放置到最终成形的曲拐锻件的内部，采用数值化技术确定不 同位置的加工余量；然后将曲拐锻件上多余的加工余量去除，采用反变形方法将 已经去除多余加工余量的变形锻件恢复到未变形状态，就得到具有最佳形状的预 成形毛坯，这种预成形毛坯的特点是可以使整个锻件的加工余量最小；最后，设 计一种切实可行的制坯方法，使得实际操作能够在满足低成本、简便快捷的前提 下制备出最接近这种形状的预成形毛坯2，如图12a-c所示，采用V形模将毛坯 中部压出两个对称的V形槽10，这样可使曲拐毛坯在弯曲过程中内开档不发生材 质堆积，避免产生喇叭口和裂纹缺陷。
(3)曲拐弯锻和精整模具的设计：根据曲拐弯曲时的金属流动规律确定了V 形模13(图16a-c)、上模1(图13a-c)、下模3(图14a-b)、插板6的形状(图 15a-b)，经过计算机模拟校核后，得到各种模具的设计尺寸。其中上模1、插板6 下端均为弧形结构，上模1下端(与毛坯接触的工作端)为上模弧形槽11，插板 6下端(与毛坯接触的工作端)为插板弧形槽12，这样可使锻造成形后的曲拐毛 坯在内开档部位易于加工；下模3内模腔部分为楔形，这样可使毛坯在弯曲时曲 臂外表面贴模，减小侧面的缩腰和减薄，并可使毛坯弯曲内表面向上模挤靠，从 而提高毛坯内开档质量；插板两侧设计挡板，可避免精整的翻转过程中毛坯滑落。
(4)关键工艺参数的确定原则：对整个锻压工艺设计了工艺操作流程，尽量 减少了锻压火次，使操作更为简便，并节约了能源，提高了生产效率。
实施例
本实施例的锻造零件为MAN B&W专利公司的6S60MC-C型号曲轴曲拐， 坯料材质为S34MnV，毛坯重16t，坯料加热温度为1250℃，模具材质为35CrMo， 整个锻造过程在万吨水压机上进行，弯曲时水压机上砧压下速度约为20mm/s，整 个弯曲、精整过程历经约40min。弯曲、精整过程的模拟结果见图2-4，图5a-b 为成形后的毛坯9(网格线部分)与加工零件8(轮廓线部分)比较，由图可见， 整个锻件加工余量比较均匀，消除了毛坯的喇叭口缺陷。图6为最终成形后的曲 拐毛坯照片，由图可见，采用本发明制造的曲拐毛坯成形质量良好，外形对称， 流线均匀，加工余量均匀，内外质量和机械性能均达到国际标准。如图11a-b所 示为曲拐加工零件8的结构示意图。
比较例
图7为采用传统工艺弯曲过程的模拟图，图8为传统工艺精整过程模拟图， 图9a-b为传统工艺成形后的毛坯9(网格线部分)与加工零件8(轮廓线部分) 比较，图10为传统工艺锻造得到的曲拐毛坯照片，该工艺的设计缺点是：
(1)预成形毛坯设计不合理，在弯曲过程中曲拐内开档材质发生堆积，并向 两侧胀出，致使曲拐弯曲内表面折叠严重，在该位置毛坯容易出现喇叭口、折叠 裂纹等缺陷。
(2)模具形状设计不合理，弯曲过程中毛坯侧面不能有效贴模，毛坯与模具 间接触面积小，曲臂侧面容易出现减薄、缩腰等缺陷，造成加工余量不足。
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